海洋工程小尺度物体水动力数值计算方法研究

摘要

孤立桩柱、导管架平台、海底管线等是海洋工程中普遍存在的结构物，当其被海浪包围部分的横向尺寸D与波长L之比小于0.2一般称为小尺度结构物。水流和波浪是海洋工程中最主要的两种外在荷载，关于水流和波浪与海洋工程小尺度构筑物相互作用问题一直是人们研究的重点，也是海洋工程中尚未很好解决的主要问题之一。高性能计算机将一种非常重要的和新的研究方法—计算流体力学方法引入到流体力学中，从而产生了研究流体运动规律的“第三种方法”—计算流体力学。利用高性能电子计算机，能够克服理论分析和实验研究的缺点，深化对于流体运动规律的认识并提高解决工程实际问题的能力。计算流体力学数值模拟能帮助理解流体力学问题，为实验提供指导，为设计提供参考，从而节省人力、物力和时间，给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。
　　本文在考虑流体的粘性、湍流和自由液面流动等前提条件下，选取海洋工程中的小尺度物体相关水动力问题作为研究内容，选择了浸入边界法和流体体积法相结合的数值计算模型进行数值计算，分别给出了浸入边界法和流体体积法两种方法的数值表达、求解步骤和方法验证。提出了一种浸入边界法中通过直接求解外加力源项的数值计算方法。给出了浸入边界法中连续力法和离散力法两种不同外加力源项处理方式的优缺点和计算步骤，离散力法采用直接在物面附近的流场节点上求解作用力源项，而不通过插值、外推的方式来求解力源项，本文采用离散力法类浸入边界法进行数值计算。详细给出了建立浸入边界法数值模型的实现过程，采用有限差分法对控制方程进行离散和半隐式的两步式投影法对N-S方程进行求解，并给出了外加力源项fn+1 i的数值计算方法，最后给出了浸入边界法的数值模型的数值实现过程。通过数值计算层流状况下的固定圆柱绕流和旋转圆柱绕流经典算例对于本文建立的数值模型进行验证，将数值计算结果与其他人的试验和数值结果进行对比，结果对比良好，从而证明建立的数值计算模型正确可行。
　　详细论述了VOF的界面重构方法和用于界面捕捉的基本思想，建立VOF方程。数值计算中选取的时间步长必须满足一定的要求，为保持数值计算的稳定性本章给出了利用VOF方法求解时的三个限定条件。为检验数值模型的可靠性，文中以复杂自由表面湍流动问题为例对其进行数值验证，主要对二维矩形液舱受迫运动时的流体晃荡问题和溃坝流动的层流问题验证。
　　建立了一种基于浸入边界法(IBM)和流体体积法(VOF)的数值计算模型。将建立的浸入边界法(IBM)和流体体积法(VOF)相结合的数值计算模型进行了数值验证，主要通过线性周期波通过梯形物体和孤立波通过矩形物体两个算例进行验证，将本文的数值计算结果与已有结果对比从而证明本文建立的数值模型正确可靠，可以很好的求解波浪与结构物的相互作用。然后利用建立的数值模型对波浪作用下近壁圆柱进行了数值计算，该模型可较好的模拟波浪作用下的近壁面圆柱绕流过程，相比于目前仅可模拟稳定流与结构物作用的模型，该模型解决了近壁圆柱波浪作用过程的数值模拟问题，为进一步研究近壁面圆柱在波浪作用下的水动力特性提供了基础。波浪作用下的近壁面圆柱绕流的涡脱落模式是“P+S”，与已有实验结果相符。
　　基于松弛造波法开发了一个适用于求解波浪作用问题的求解器waveFoam，建立了一种三维数值波浪水槽模型。该模型利用开源数值计算软件OpenFoam，通过利用OpenFoam中已有的求解器interFoam开发了新的求解器，该模型可有效的实现数值波浪水槽造波、传播和消波等过程，利用该数值水槽可成功的解决了直立圆柱波浪爬升模拟问题。选用两种不同的波浪参数，探讨了波陡参数对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响。与势流模型相比，本文采用的粘性流模型可以较好的捕捉实验中出现的二次波峰现象。计算表明，本文建立的数值水槽可以较好用于直立圆柱波浪爬升问题的计算。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 计算流体力学的研究内容

1．3 本文主要研究内容

2 浸入边界法的基本原理及其应用

2．1 引言

2．2 数学模型

2．3 作用力计算

2．4 IB方法的验证和应用

2．5 本章小结

3 VOF数值研究

3．1 引言

3．2 二维VOF方法

3．3 二维矩形液舱受迫运动时的流体晃荡问题

3．4 溃坝流动数值模拟

3．5 本章小结

4 IB-VOF方法验证和应用

4．1 引言

4．2 IB-VOF数值方法验证

4．3 波浪作用下近壁圆柱数值模拟

4．4 本章小结

5 三维数值波浪水槽建立及应用研究

5．1 引言

5．2 三维数值波浪水槽的建立和可行性验证

5．3 波浪与直立圆柱的相互作用问题

5．4 本章小结

6 全文结论与研究展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表学术论文情况