基于OpenFOAM的數(shù)值造波與消波模型及其應(yīng)用.pdf

1、隨著高性能計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值水池作為一種與實(shí)驗(yàn)水池優(yōu)劣互補(bǔ)相輔相成的基本研究工具，越來(lái)越受到重視。其中一類(lèi)基于粘性流NS方程模型模擬實(shí)驗(yàn)室造波方式，最接近物理水池造波。本文工作就是要開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)值水池的基本功能—造波和消波，并對(duì)開(kāi)發(fā)的數(shù)值造波和消波模型進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證。
　　OpenFOAM是一款在CFD領(lǐng)域脫穎而出可與商業(yè)軟件媲美的開(kāi)源CFD軟件。其開(kāi)源性，源于C++面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)獲得的良好擴(kuò)展性，穩(wěn)定強(qiáng)大的

2、底層類(lèi)庫(kù)，豐富的前后處理接口，大規(guī)模并行化計(jì)算等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得后續(xù)研究者可以在充分利用各層面基礎(chǔ)上更有效的專(zhuān)注于某個(gè)層面，從而提高研究效率增進(jìn)工作的延續(xù)性。因此，本工作選用OpenFOAM作為數(shù)值造波和消波模型的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
　　數(shù)值造波方法可分為物理造波法和人工造波法兩大類(lèi)。物理造波，即是模擬實(shí)驗(yàn)室造波（如推板或搖板造波），相對(duì)于人工造波（如速度入口法或源造波法）利用波浪理論的解析解，物理造波是利用實(shí)驗(yàn)造波理論造出各種波況，因此數(shù)

3、值結(jié)果易于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。相對(duì)于人工造波法在技術(shù)上的簡(jiǎn)便易行，物理造波法需要引入動(dòng)邊界處理技術(shù)，由于OpenFOAM-1.5中已經(jīng)存在調(diào)用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的兩相流求解器interDyMFoam（該求解器基于NS方程的求解，采用VOF法捕捉自由面并可方便調(diào)用基于RANS的各種湍流模型），本文工作首先基于該求解器，在邊界條件和求解器層面上做了開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了粘性流數(shù)值水池的物理造波和阻尼消波功能（詳見(jiàn)第四章）：
　　1.通過(guò)類(lèi)繼承方式編寫(xiě)了模擬推

4、板和搖板造波運(yùn)動(dòng)的造波邊界，目前植入了線性造波模式和Madsen二階造波模式，其他造波模式以后也可極其方便的植入其中；
　　2.通過(guò)對(duì)最外層求解器 interDyMFoam代碼的改寫(xiě)，采用動(dòng)量源法實(shí)現(xiàn)了阻尼消波功能。
　　然后著重對(duì)所建數(shù)值造波和消波模型進(jìn)行測(cè)試、檢驗(yàn)及應(yīng)用：
　　1.通過(guò)數(shù)值收斂測(cè)試發(fā)現(xiàn)，造波精度與波面區(qū)域網(wǎng)格長(zhǎng)寬比有關(guān)（詳見(jiàn)5.1章節(jié)）。
　　2.在二維數(shù)值造波實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)水深不大時(shí)，推板

5、造波精度略高于搖板，相對(duì)水深較大時(shí)，推板造波穩(wěn)定性遜于搖板。在合理選取網(wǎng)格、造波板形式和阻尼消波系數(shù)(本文沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此系數(shù)的選取規(guī)律，合理取值是通過(guò)試算獲得的)的情況下,本模型可提供精度和穩(wěn)定性良好的線性及弱非線性波的二維入射波場(chǎng)。（詳見(jiàn)5.2和5.3章節(jié)）。
　　3.嘗試了波浪繞方柱爬升的三維數(shù)值模擬，豐富了繞射問(wèn)題在粘性流數(shù)值模擬方面的研究。盡管網(wǎng)格的捕捉精度還有待提高，但是基于粘性流模型的模擬結(jié)果已經(jīng)向我們展示了柱體附近輻射繞