基于开源软件OpenFOAM的数值波浪水槽建立及应用

论文摘要

波浪现象是港口海岸工程研究的重要问题之一,理论分析、原型观测、物理模型实验、数值模拟是研究波浪问题的主要方法。其中,数值模拟方法由于节省人力物力,不受实验场地和观测仪器影响,同时实验条件和参数容易进行控制和改变,能模拟多种因素在复杂条件下的物理过程,而得到广泛应用。基于此,本文建立了一个三维数值波浪水槽,对波浪的传播变形及其与建筑物的相互作用进行研究。在开源软件包OpenFOAM的基础上,本文建立了一个基于非结构化网格利用有限体积法求解N-S方程的三维数值波浪水槽模型。模型采用VOF法追踪自由表面,并有多种紊流模拟方式可供选择,具有较高的精度,能很好地模拟波浪的传播变形。此外,程序按MPI标准编写,可以应用并行计算提高计算效率。采用本文建立的模型,选用RNG模型针对高桩墩式结构影响下的波浪特性进行了二维数值模拟,计算分析了不同淹没深度、不同宽度的墩台影响下的波浪传播特性,以及墩台侧面和底面受波压力的变化情况,探索了不同尺度墩台结构与波浪相互作用的规律。通过对原型尺度算例的模拟,分析了波浪作用下高桩墩式结构稳定性的主要影响因素。通过采用LES,本文对潜堤附近波浪场及其流动特性进行了三维模拟,并与PIV实验结果进行了对比。计算分析了潜堤结构附近涡的尺度、生成机理和运动变化特征,并得出了潜堤附近波浪运动的三维特性及紊动特征。针对数值波浪水槽的波高衰减问题,本文提出了相应的解决方案,同时,针对并行环境下的数值计算,本文通过对计算日志的分析探讨了计算网格划分、计算任务设置与计算效率之间的关系,得出了一些有意义的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 CFD 程序的发展与现状
• 1.2.2 数值波浪模拟研究进展
• 1.3 本文的研究工作
• 第二章 数值波浪水槽理论基础
• 2.1 波浪运动控制方程
• 2.2 自由表面的模拟
• 2.3 紊流的模拟
• 2.3.1 紊流模拟方式
• 2.3.2 RNG k-ε模型
• 2.3.3 大涡模拟
• 2.4 数值离散过程
• 2.4.1 空间域离散
• 2.4.2 时间域离散
• 2.5 流场的求解
• 2.5.1 SIMPLE 算法
• 2.5.2 PISO 算法
• 2.6 本章小结
• 第三章 数值波浪水槽的建立
• 3.1 数值波浪水槽文件组织结构
• 3.2 边壁的设定
• 3.3 造波与消波的实现
• 3.3.1 造波的实现
• 3.3.2 数值消波方法
• 3.4 数值波浪水槽建立中遇到的问题
• 3.4.1 波高衰减
• 3.4.2 波形非线性
• 3.5 数值波浪水槽操作步骤及计算循环
• 3.6 水槽效果验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 高桩墩式结构附近波浪特性的二维模拟
• 4.1 问题的提出
• 4.2 已有计算方法
• 4.3 实验室尺度数值模拟
• 4.3.1 模型设定及验证
• 4.3.2 模拟结果及分析
• 4.4 现场尺度模拟
• 4.4.1 模型设定及验证
• 4.4.2 流场模拟结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 潜堤附近涡特性的三维模拟
• 5.1 问题的提出
• 5.2 潜堤附近涡形态三维模拟
• 5.2.1 潜堤附近涡研究现状
• 5.2.2 数值实验设定
• 5.2.3 结果对比与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 数值波浪水槽的计算效率与并行
• 6.1 问题的提出
• 6.2 数值波浪水槽计算效率影响因素
• 6.2.1 数值波浪水槽计算特性
• 6.2.2 计算效率的影响因素
• 6.3 数值波浪水槽的并行计算
• 6.3.1 并行计算的概念及实现
• 6.3.2 网格拆分原则
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 对未来的展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢