基于Fluent的造波技术研究及内孤立波对竖向圆柱体作用力的数值模拟和实验验证

摘要

内孤立波是一种常发生于海水密度跃层处的非线性海洋内波。内孤立波通常具有巨大的波长和振幅，其携带的能量对海洋结构物构成了极大的威胁。随着海洋强国战略和南海油气开发的推进，研究内孤立波的特性及其对结构物的作用具有重大的工程意义。
　　内孤立波研究主要有理论研究、实验室研究、数值模拟等手段，本文研究了运用CFD方法数值模拟内孤立波的生成和传播，模拟了内孤立波对竖向圆柱体的水平作用力，并结合试验对数值模拟进行了验证。
　　第二章介绍了内孤立波的KdV和mKdV理论。采用RNGk-ε模型封闭雷诺时均方程，结合不可压缩黏性流体的连续性方程，采用速度入口法制造内孤立波，采用VOF方法追踪两层流体内分界面，采用源项消波并结合数值耗散进行消波，建立了三维两层流内孤立波数值水槽，实现了内孤立波的数值模拟。创新之处在于通过Fluent自带的二次开发功能将基于KdV和mKdV理论推导得到的波面方程和上下层流速编入UDF作为速度入口控制函数，改进了以往速度入口法的入口速度处理方式，实现了对所造内孤立波大小的准确控制。
　　第三章介绍了在实验室中进行的内孤立波造波试验，包括试验方法、试验设备、试验工况及试验结果。将同工况下数值模拟得到的波高、波长、波形、内波流场、波致水平流速的垂向分布等情况与试验结果进行了对比，发现数值模拟与试验结果吻合良好，验证了本文建立的数值水槽造波的准确性。创新之处在于用一比一的试验来对数值模拟结果进行验证。
　　第四章在前文数值水槽的基础上建立了内孤立波对不同水深竖向圆柱体作用力数值模型。在实验室中进行了内孤立波对竖向圆柱体水平力作用的试验研究，介绍了圆柱体尺寸、固定方法、测力传感器以及数据采集设备。在四个工况下进行试验获取了六个圆柱体受力的试验数据。将同等工况下进行数值模拟获得的数据与试验数据进行对比，研究竖向圆柱体受力的特性，验证了本文建立的内孤立波对竖向圆柱体作用力数值模型的可行性和准确性。创新之处在于沿不同水深布置了多个圆柱体，研究了内孤立波对不同水深圆柱体的水平作用力。
　　研究表明:运用CFD数值模拟的方法研究内孤立波及其对竖向圆柱体作用获得的结果准确可靠，在进一步的内孤立波研究中可以更多地采用数值模拟的手段进行。内孤立波波致水平流速的垂向分布与内孤立波理论所做的两层流体流速平均假设大体接近，在密度跃层和流体表面稍有不同。内孤立波对放置在不同水深的竖向圆柱体水平力作用差别较大。位于内孤立波波面位置的竖向圆柱体总体受力较小，且并未受到较强的剪切流作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 内波的生成机制及特性

1．3 内波的研究进展

1．3．1 实验室造波研究进展

1．3．2 数值水槽造波研究进展

1．4 内波对结构物作用研究现状

1．5 CFD模拟软件fluent简介

1．6 本文的主要工作和创新点

1．6．1 本文的最主要工作

1．6．2 本文的创新点

2 内孤立波数值水槽造波模拟

2．1 内孤立波的mKdV及KdV理论

2．1．1 KdV理论

2．1．2 mKdV理论

2．2 内孤立波数值水槽

2．1．1 控制方程

2．2．2 液面追踪方法

2．2．3 定解条件

2．2．4 求解算法

2．2．5 造波和消波的控制

2．2．6 数值水槽参数及建立过程

2．3 数值造波模拟

2．3．1 内孤立波的模拟

2．3．2 传播与演化

2．4 本章小结

3 数值造波结果及其试验验证

3．1 内孤立波试验设备及方法

3．1．1 重力塌陷法造波原理

3．1．2 分层流体的制取

3．1．3 消波处理

3．1．4 PIV测量技术

3．1．5 试验设置

3．1．6 试验结果

3．2 数值模拟结果的试验验证

3．2．1 波高结果对比

3．2．2 波形结果对比

3．2．3 流场对比

3．2．4 水平流速的垂向分布情况对比

3．3 本章小结

4 内孤立波对竖向圆柱体水平作用力的数值模拟及试验对比

4．1 数值模型的建立

4．2 内孤立波对圆柱体作用的试验

4．2．1 竖向圆柱体的布置

4．2．2 测力传感器和数据采集系统

4．2．3 试验工况设置

4．2．4 试验结果

4．3 数值模拟结果的试验验证

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文与研究成果