基于边界造波法的三维数值波浪水池研究

摘要

近年来，高性能计算机资源和CFD技术在船舶与海洋工程领域中得到了广泛的应用，极大地推动和完善了数值波浪水池的发展。一方面，作为辅助手段，数值波浪水池丰富多样的功能与传统的物理水池实验技术优劣互补相得益彰，全面涵盖了水动力性能分析与预报学科;另一方面，作为研究热点，波浪水池充分发挥了数值模拟计算的优势，在重现支撑经典理论抑或验证评估实验结果的同时，对于物理模型试验中难以完成甚至无法实现的问题也可以进行研究，因此一举成为船舶与海、洋结构物设计分析乃至性能优化的必不可少的工具。本文的主要研究内容旨在自主开发建立三维数值波浪水池，实现并验证该粘性水池造波及消波的基本功能。 本文基于速度边界输入造波技术，结合SST k-ω端流模型，利用有限差分法对URANS方程进行离散，同时采用Level-set方法追踪自由液面，完成了对不同类型的线性规则波、几种浪级下的不规则波的模拟。为了避免来自有限边界处反射波的干扰，在靠近水池出口附近采取网格衰减以及在动量方程中添加阻尼项进行消波处理，并讨论了两种方法的优劣性。通过数值结果与目标波浪的对比分析表明，阻尼消波吸收波能的效果更为显著;与此同时，该三维数值粘性水池能够迅速并持续产生稳定可靠的波浪，具有较好的造波和消波能力，可为模拟预报不同海况下船舶的运动响应提供较为真实的波浪环境。

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