二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟


注:自己做的作业,截图的时候有点混乱,有许多漏洞,望多多包涵。


一、建立物理模型

波浪理论采用微幅波,波浪的周期T=0.89s,水深h=0.4m,波高H=0.125m。二维数值波浪水槽总长13m,高1m,水槽底面的前3m是水平的,后10m是坡度为1/15的倾斜坡面。

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图1 

1 整体模型


二、网格划分

本模型采用CFD专业网格划分软件ICEM划分流体计算域的网格,网格划分选择非结构化网格。为了更好地捕捉到自由液面(及水气交界面)并得到水底流场的变化情况,在水平面处进行网格加密,且水下网格的整体尺寸小于空气网格的尺寸网格节点加密时主要通过Exponential2BiGeometric两种划分原则使节点呈不均匀分布。图2是划分结构化网格时的Block分布。

3是入口处的截图,可以明显看到网格的分布情况,其中上部分为空气,下部分为水,中间是自由液面。

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图2 

2 Block分布


二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图3 

3 入口处网格分布


一共有133272个单元,4是网格总体质量分布图,网格质量基本接近于1,说明网格总体质量较好5是网格长宽比值的分布,其中单元最大长宽比为11.4,最小长宽比2.08,长宽比越接近于1越好,最好不要超过18,所以网格质量符合计算的要求。

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图4 

4 网格总体质量

 

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图5 

5 网格长宽比值分布

 

三、Fluent计算过程设置

整个过程采用瞬态分析,由于本文中y为竖直方向,所以在y方向施加重力加速度9.81m/s^2。波浪自由液面的捕捉采用VOF方法主要通过求解流体体积输运方程,前面已给出方程形式。总体为两相流模型所以整个模型只有水相和气相。然后借用明渠模型进行造波,体积分数参数方程采用隐式算法,体积力方程中采用隐式体积力设置过程如图6所示。

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图6  二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图7

6 通用设置和VOF设置

 

湍流模型选用RNG k-epsilon两方程模型。壁面函数选用Scalable Wall Function该壁面函数对于任意细化的网格,能给出一致的解。空气的密度为1.225kg/m^3密度为998.2kg/m^3,动力粘度为0.8937kg/(m·s)

 二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图8 二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图9

7 湍流模型和材料参数设置

 

相设置中,空气为主相,水为次相。操作环境设置为标准大气压101.325kpa参考压力的位置为自由液面处,即y=0.4m处。

 

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图10  二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图11

8 相和操作环境设置

 

边界条件的设置如图9所示,因为模型为斜坡海岸的简化模型,所以底部设置为固壁边界条件,入口设置为速度入口,出口和顶部均设置为压力出口计算域设置为Mixture混合流体

 

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图12 

9 边界条件设置

 

速度入口选用Open Channel Wave BC,在多相设置中设置波浪边界条件为中浅水,自由液面离底部的高度为0.4水底为y=0m处,波浪理论选用二阶Stokes波浪理论,波高为0.125m,波长为1m,波浪的相位差和波头角均为0。压力速度耦合方法采用SIMPLE算法,压力项为PRESTO格式,对流项采用二阶迎风格式,。

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图13 二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图14

10 造波和求解方法设置

 

   初始化采用从入口的混合初始化,初始化方法为Flat初始化。时间步长设置为0.01s,总步长数为4000步,最大迭代次数为50

  二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图15  二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图16

11初始化和时间步长相关参数设置

 

五、计算结果分析

   计算完成后,通CFD-POST软件进行后处理,分别得到速度矢量云图和压力云图。

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图17 

12 二阶Stokes波浪形状

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图18 

13 稳定过后的波浪形状

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图19 

14 速度矢量图

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图20 

15 压力云图


   从速度矢量图中可以看出流体质点环形运动,符合基本的物理现象,压力随水深呈梯度变化,同时可以看出数值水槽可以较好地模拟波面变化。论文不足的地方是:波峰应随水深变浅而逐渐变陡,但在Fluent中由于波浪衰减较快,波浪能量耗散较大,此现象不是很明显。

   图16是利用Xflow模拟出的结果,由于相关参数和边界条件设置大同小异,这里不再展示具体过程,此软件与Fluent不同的是:它采用的计算方法是格子-玻尔兹曼方法,网格采用的是笛卡尔网格。可以看出Xflow模拟的效果更好,同时可以间接说明Fluent为了得到较好的稳定性而使数值耗散比较严重。图17是卷浪的局部放大图,可以看出格子-玻尔兹曼方法在观察某一质点的细节运动时较Fluent具有明显的优势。

 

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图21 

16 Xflow中模拟的结果

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的图22 

17 粒子追踪的卷浪效果


参考文献

[1]高睿, 任冰. 波浪沿斜坡传播的SPH数值模拟[C]// 中国海洋. 2009.

[2]游涛. 波浪在斜坡上的传播破碎及沿岸流研究[D]. 天津大学, 2004.

[3]安蒙华, 蒋勤, 张长宽. 波浪在斜坡堤上传播的数值模拟[J]. 水运工程, 2014 (6):25-29.

[4]李胜忠. 基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究[J]. 2013.


缺点:波浪的耗散很严重,试过降低粘性系数、改变模型和网格大小、更换边界条件和湍流模型,最终还是没有找到解决的好办法。

ANSYS流体力学及仿真ICEM CFD

二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)的评论1条

  • 张海嘉
    1
    请问波浪耗散的问题有解决方法了吗,我想请教一下

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