基于OpenFOAM的数值造波与消波模型及其应用

摘要

随着高性能计算技术的快速发展和数值模拟技术的进步，数值水池作为一种与实验水池优劣互补相辅相成的基本研究工具，越来越受到重视。其中一类基于粘性流NS方程模型模拟实验室造波方式，最接近物理水池造波。本文工作就是要开发实现数值水池的基本功能—造波和消波，并对开发的数值造波和消波模型进行应用和验证。
　　OpenFOAM是一款在CFD领域脱颖而出可与商业软件媲美的开源CFD软件。其开源性，源于C++面向对象设计获得的良好扩展性，稳定强大的底层类库，丰富的前后处理接口，大规模并行化计算等诸多优点，使得后续研究者可以在充分利用各层面基础上更有效的专注于某个层面，从而提高研究效率增进工作的延续性。因此，本工作选用OpenFOAM作为数值造波和消波模型的开发平台。
　　数值造波方法可分为物理造波法和人工造波法两大类。物理造波，即是模拟实验室造波（如推板或摇板造波），相对于人工造波（如速度入口法或源造波法）利用波浪理论的解析解，物理造波是利用实验造波理论造出各种波况，因此数值结果易于实验室验证。相对于人工造波法在技术上的简便易行，物理造波法需要引入动边界处理技术，由于OpenFOAM-1.5中已经存在调用了动网格技术的两相流求解器interDyMFoam（该求解器基于NS方程的求解，采用VOF法捕捉自由面并可方便调用基于RANS的各种湍流模型），本文工作首先基于该求解器，在边界条件和求解器层面上做了开发，实现了粘性流数值水池的物理造波和阻尼消波功能（详见第四章）：
　　1.通过类继承方式编写了模拟推板和摇板造波运动的造波边界，目前植入了线性造波模式和Madsen二阶造波模式，其他造波模式以后也可极其方便的植入其中；
　　2.通过对最外层求解器 interDyMFoam代码的改写，采用动量源法实现了阻尼消波功能。
　　然后着重对所建数值造波和消波模型进行测试、检验及应用：
　　1.通过数值收敛测试发现，造波精度与波面区域网格长宽比有关（详见5.1章节）。
　　2.在二维数值造波实验中发现，相对水深不大时，推板造波精度略高于摇板，相对水深较大时，推板造波稳定性逊于摇板。在合理选取网格、造波板形式和阻尼消波系数(本文没有发现此系数的选取规律，合理取值是通过试算获得的)的情况下,本模型可提供精度和稳定性良好的线性及弱非线性波的二维入射波场。（详见5.2和5.3章节）。
　　3.尝试了波浪绕方柱爬升的三维数值模拟，丰富了绕射问题在粘性流数值模拟方面的研究。尽管网格的捕捉精度还有待提高，但是基于粘性流模型的模拟结果已经向我们展示了柱体附近辐射绕射场的丰富细节（如二次波峰现象），而这种细节捕捉效果是目前势流模型的模拟结果所无法给出的（详见第六章）。
　　另外，在第七章讨论了被广泛使用的速度入口式造波，该方法由于会引起水面抬升问题而不适用于波幅稍大的线性波，但由于简便易行且计算消耗较小，适用于研究一些三维问题。最后，本文在总结以上工作之后提出了三方面的展望（第八章）。
　　本文完成的数值水池开发的基础工作—数值造波和消波，为后续建立实用有效的数值水池工作奠定了基础。

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英文摘要

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 本工作特点和内容

第二章 对自由面问题的求解

2.1 两相流问题的理论模型

2.2 数值求解

第三章 探讨OpenFOAM

3.1 OpenFOAM的构架

3.2 从icoFoam出发

第四章 数值造波与消波

4.1 本工作中的数值造波和消波方法

4.2 在OpenFOAM中的实现

4.3 数值造波水池算例的建立及运行

第五章 二维数值造波实验

5.1 数值收敛测试

5.2 推板造波实验

5.3 摇板造波实验

第六章 三维数值波浪水池的建立与应用

6.1 三维数值波浪水池的构建

6.2 固定方柱的波浪爬升问题

第七章 基于波浪理论的边界输入法造波

7.1 水面抬升问题

7.2 模拟两列二维平面波的正交

第八章 结论与展望

8.1 本工作总结

8.2 对后续工作的展望

参考文献

附录

致谢

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