基于VPM-THINC/QQ模型的波浪高保真模拟

为实现波浪传播的高保真数值模拟,采用包含单元均值和点值(volume-average/point-value method,VPM)的有限体积法求解纳维-斯托克斯方程和具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature,THINC/QQ)方法来重构自由面,建立以开源求解库OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型. 在本模型中添加推板造波法实现波浪的产生功能,采用松弛法实现消波功能,构建高精度黏性流数值波浪水槽. 分别采用VPM-THINC/QQ模型和InterFoam求解器(OpenFOAM软件包中广泛使用的多相流求解器)开展规则波的数值模拟,重点探究网格大小和时间步长等因素对波浪传播过程的影响,定量地分析波高衰减程度;为验证本模型的适应性,对长短波进行模拟. 结果表明,在相同网格大小或时间步长条件下,VPM-THINC/QQ模型的预测结果与参考值吻合较好,波高衰减较少,且无相位差,在波浪传播过程的模拟中呈现出良好的保真性. 本文工作 为波浪传播的模拟研究提供了一种高精度的黏性数值波浪水槽模型.      

非结构化网格下大范围波浪的折绕射计算

从含流缓坡方程出发,推导出光程函数方程。采用基于非结构化网格下的有限体积法对光程函数方程和波作用守恒方程进行数值离散和联合求解,从而构建了一个考虑绕射的计算近岸大范围波浪传播过程的数值模型。模型的空间步长不再受制于波长的限制,同时非结构化网格可以很好地拟合复杂岸线变形。模型分别通过了施奈尔定律、直立防波堤后的波浪绕射和圆形浅滩上的波浪变形验证,结果表明,该数值模式能有效模拟复杂边界条件和大范围水域下近岸波浪的传播过程中的折射和绕射等变形。     

波浪破碎的一种混合湍流模拟模式

近岸波浪的变形与破碎,一方面影响水体与泥沙运输,另一方面对消波护岸具有指导意义.本文提出一种三维混合湍流模拟模式方法,将求解区域分为造波区、波浪传播区和消波区.造波区采用层流模式,通过基于Fluent的二次开发的UDF方法在边界进行速度造波.这种方法在给定入口速度的条件下,根据已知波高进行精准插值,从而控制水的体积分数.在波浪传播区域,采用大涡模拟进行模拟研究,在消波区,采用RANS模型并利用多孔介质消波法进行消波.模型通过VOF方法捕捉波浪破碎过程中的自由面变化.本文对波高为5.5 cm的规则波(M1)、波高为13.5cm的规则波(M3)、有效波高为7.75cm的TMA谱单向不规则波(U1)和有效波高为19cm的TMA谱多向不规则波(B5)展开了模拟研究,并与前人的相关实验结果作比较,各条件下模拟结果与实验结果吻合.模拟结果说明本文提出的模型能够准确模拟出波浪传播过程中的折射和绕射现象,并且能够捕捉的波浪破碎过程中的自由面变化,为三维波浪的传播与破碎的数值模拟提供一种模拟方法.     

波浪破碎的一种混合湍流模拟模式

近岸波浪的变形与破碎,一方面影响水体标识码运输,另一方面对消波护岸具有指导意义.本文提出一种三维混合湍流模拟模式方法,将求解区域分为造波区、波浪传播区和消波区. 造波区采用层流模式,通过基于 Fluent 的二次开发的 UDF 方法在边界进行速度造波.这种方法在给定入口速度的条件标识码据已知波高进行 精准插值,从而控制水的体积分数. 在波浪传播区域,采用大涡标识码行模拟研究,在消波区,采用 RANS 模型并利用多孔介质消波法进行消波. 模标识码 VOF 方法捕捉波浪破碎过程中的自由面变化.本文对波高为 5.5cm 的规则波 (M1)、波高为 13.5cm 的 规则波 (M3)、有效标识码 7.75cm 的 TMA 谱单向不规则波 (U1) 和有效波高为 19cm 的 TMA 谱多向不规则波 (B5) 展开标识码研究,并与前人的相关标识码果作比较,各条件下模拟结果与实验结果吻合.模拟结果说明本文提出的模型能够准确模拟出波浪传播过程中的折射和标识码象,并且能够捕捉的波浪破碎过程中的自由面变化,为三维波浪的传播与破碎的数值模拟提供一种模拟方法.      

孤立波斜坡堤堤顶及后坡越浪流数值分析

孤立波往往被用来模拟海啸等浅水大波.运用基于RANS方程、VOF方法以及Goring造波方法建立了二维数值波浪水槽,进行了孤立波在简单斜坡堤上越浪过程的数值模拟.通过数值模拟,研究了不同相对堤顶宽及不同相对波高条件下对孤立波越堤流基本特征,包括堤顶前缘水层厚度及速度、堤顶末端水层厚度及速度、堤顶流厚度及速度沿程分布、后坡流厚度及速度沿程分布.依据数值实验结果,建立了堤顶流最大厚度分布及最大速度分布的经验公式.计算结果表明,堤顶流厚度沿程减小,而堤顶流速度则沿程增大;后坡流厚度先增大,随后再沿程缓慢减小;后坡流速度先减小,随后再沿程缓慢增大.     

基于修正光滑粒子流体动力学算法的低能量耗散数值波浪水池开发

目前, 无网格光滑粒子流体动力学SPH粒子法在波浪与结构物相互作用研究方面得到广泛应用, 但该方法模拟波浪远距离传播时, 常常面临严重的能量耗散问题, 导致波高非物理性降低, 给大范围海域、长时间作用下的波-物耦合作用研究带来一定困难. 对此, 本文采用一种核函数修正算法, 在确保粒子间相互作用对称性的同时, 改进压力梯度离散项的计算精度, 设法解决SPH方法中能量非物理性耗散的难题. 相较于前人减缓能量非物理性衰减的方法, 本文的修正SPH算法避免了自由液面搜索等复杂处理过程, 并能保证动量守恒特性. 数值结果中, 采用振荡液滴、规则波、不规则波等算例, 验证本修正SPH算法的准确性和有效性. 结果表明, 该修正SPH算法能准确模拟振荡液滴形态变化, 且动能保持较好守恒性. 通过数值水池与物理水池两者规则波与不规则波结果的对比分析表明, 基于本文修正SPH算法建立的数值波浪水池具有较好的抗能量衰减效果, 能实现长时间、远距离波浪传播的准确模拟. 此外, 本算法能在低光滑长度系数条件下, 实现精确模拟, 将极大缩减三维SPH模拟的时间, 从而节约计算成本.      

等波高双孤立波直墙爬高的数值模拟

基于RANS方程、VOF方法以及修正的Goring造波方法建立了模拟活塞式推波板运动的二维数值波浪水槽,实现了双孤立波直墙爬高的数值模拟．利用动边界技术模拟造波机推波板的运动,有效地实现了不同波峰间距双孤立波的造波方法．在验证单孤立波直墙爬高的基础上,模拟了不同相对波高、相对波峰间距的等波高双孤立波的直墙爬高过程,给出了波面、速度场及波动能量的变化规律．数值模拟结果表明：对于等波高的双孤立波,当入射波波高较大及两个波峰间距相对较小时,跟随在后孤立波的爬高放大系数小于先导孤立波的爬高放大系数;双孤立波在直墙爬高过程中,波动场的势能时间过程线呈现三峰形态,其中居中的最大势能峰值出现在第二个孤立波与经直墙反射后反向传播的第一个孤立波完全对撞的时刻．     

波浪中舰船远程尾流区气泡运动研究

为准确描述波浪中舰船远程尾流区气泡运动规律,分别建立了波浪中远程尾流场气泡质心运动和径向运动模型;并结合二维深水波模型,构建了波浪中尾流气泡运动耦合模型。采用变步长龙格库塔法进行数值求解,模拟得出波浪中尾流气泡的两个运动特征规律:(1)气泡在波浪中的上浮轨迹呈螺旋状,且气泡尺度越小,受波浪牵引作用越显著;(2)波浪的波长越短,波高越高,气泡在波浪传播方向的位移越大,但气泡的存留时间受波浪的影响很小。该模型考虑了真实海况中波浪对气泡运动的影响,可作为研究舰船尾流气泡运动特性及尾流场演化规律的理论基础。     

黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响

Rayleigh-Taylor不稳定性存在于爆炸、液滴形成和液体喷雾等工程应用过程中,是流体力学关注的经典问题之一.内空泡振荡诱导液滴界面演化问题是其研究中基本模型之一,空泡振荡作用下液滴界面发生扰动并发展,其特征形态主要表现为破碎、通气和稳定.液体黏性是影响界面不稳定性发展的重要因素,文章通过建立高精度的数值模拟方法,开展液体黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响研究.在数值模拟中,基于开源OpenFOAM框架的多相可压缩求解器直接求解Navier-Stokes方程,采用isoAdvector的几何流体体积法捕捉界面演化特征.结果表明,液体黏性的增加会减缓空泡的收缩,进而减缓液滴界面扰动的发展,该影响下通气工况液滴通气发生时间增加,而稳定工况最大扰动幅值减小.最大扰动幅值的减小直接影响了液滴的特征形态,基于一系列数值模拟结果归纳得到液滴不稳定性相图.在文章讨论的参数范围内,随着黏性增加,小液滴(R_d0 <2 mm)的形态从破碎转变为通气进而变成稳定;中液滴(2 mm d0 <3 mm)的形态从通气转变为稳定,不出现...     

非均匀水流中非线性波传播的数值模拟

以一种考虑波流相互作用的新型{Boussinesq}型方程为控制方程组, 采用五阶{Runge}-{Kutta}-{England}格式离散时间积分,采用七点 差分格式离散空间导数,并通过采用恰当的出流边界条件,从而建立了非均匀水流中非线性 波传播的数值模拟模型. 通过对均匀水流与水深水域内和潜堤地形上存在弱流或强流时波浪 传播的数值模拟,说明模型能有效地反映水流对波浪传播的影响.     

垂荡双气室振荡水柱波能装置水动力特性研究

振荡水柱(OWC)波能转换装置因其结构简单、便于安装维护等特点, 被公认为最具应用前景的波能转换技术. 本研究以垂荡式双气室OWC波能转换装置为研究对象, 借助开源代码平台OpenFOAM及基于interFoam求解器开发的造/消波工具箱waves2Foam, 采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和六自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应, 数值研究在不同入射规则波作用下, 前后气室相对宽度、弹簧弹性系数对装置捕能宽度比及水动力特性的影响规律. 通过与已有的固定情况下的双气室OWC装置结果对比, 并通过对比自由衰减运动响应验证动网格技术, 揭示了本研究中数值模型的合理性和有效性. 计算结果表明, 较宽的后气室结构布置有利于双气室振荡水柱装置在垂荡状态下的波能提取; 前后气室宽度比为1/2时, 垂荡式双气室OWC装置在测试波频段具有最优的捕能宽度比; 相较于固定状态, 垂荡装置的后气室在中高波频段有着更高的捕能宽度比; 装置前后气室内水柱与OWC装置垂荡运动间存在的相位差使得气室内水面相对振幅和相对压强在测试波频段存在多峰值现象, 进一步发现弹装置通过垂向弹簧进行相位控制, 可显著拓宽高效频谱带, 实现较大的捕能宽度比.      

高黏性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法

分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 定必须满足的最小时间步长要求冲突. 本文目的是构造一种含迭代格式的分步算法,它能在 保证精度的前提下大幅度地增大时间步长. 方腔流和平面Poisseuille流数值计算结果证实 了此特点,该方法被有效应用于充填流动过程的数值模拟.     

亚网格尺度稳定化有限元求解不可压黏性流动

从亚网格尺度稳定化方法的基本原理出发, 提出了适合时间推进求解非定常Navier-Stokes方程获得定常解的SGS稳定化方法. 基于一定程度的近似和简化, 获得了与时间步长相关的稳定化参数, 从而排除了传统SGS稳定化方法在求解高Re数、小时间步长问题时所引发的数值不稳定性. 把SGS稳定化方法应用于求解不可压湍流, 结合标准k-\varepsilon湍流模型和壁面函数法估计湍流黏性系数, 详细讨论了壁面函数法的实施、湍流输运方程的求解和保证湍流变量非负性的限制策略, 发展了时间推进求解不可压湍流的分离式算法. 二维外掠后台阶层流和湍流计算结果表明,该方法求解不可压黏性流动是可行的, 并且具有稳定性好、计算精度高的特点.      

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法(discontinuous Galerkin method, DGM) 因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点, 近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法. 但其计算量和内存需求量巨大, 特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题, 其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的. 基于“混合重构”的DG/FV 格式可以有效降低DGM 的计算量和存储量. 本文将DDG 黏性项离散方法推广应用于DG/FV 混合算法, 得到新的DDG/FV混合格式, 以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率. 通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流, 非定常圆柱绕流和NACA0012 翼型绕流等二维黏性流算例, 优化了DDG 通量公式中的参数选择, 验证了DDG/FV 混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率, 并与广泛使用的BR2-DG 格式的计算结果和效率进行对比研究. 一系列数值实验结果表明, 本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes 方程求解中, 在达到相同的数值精度阶的前提下, 相比BR2-DG格式, 对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2 倍以上, 对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6 倍, 并且在一些算例中, 混合格式具有更优良的计算稳定性. DDG/FV 混合格式提升了计算效率和稳定性, 具有良好的应用前景.      

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法 (discontinuous Galerkin method, DGM)因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点,近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法.但其计算量和内存需求量巨大,特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题,其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的.基于"混合重构"的DG/FV格式可以有效降低DGM的计算量和存储量.本文将DDG黏性项离散方法推广应用于DG/FV混合算法,得到新的DDG/FV混合格式,以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率.通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流,非定常圆柱绕流和NACA0012翼型绕流等二维黏性流算例,优化了DDG通量公式中的参数选择,验证了DDG/FV混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率,并与广泛使用的BR2-DG格式的计算结果和效率进行对比研究.一系列数值实验结果表明,本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes方程求解中,在达到相同的数值精度阶的前提下,相比BR2-DG格式,对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2倍以上,对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6倍,并且在一些算例中,混合格式具有更优良的计算稳定性.DDG/FV混合格式提升了计算效率和稳定性,具有良好的应用前景.     

基于GPU加速的三阶有限体积格式管道瞬变流求解模型

为高效和高精度求解长距离输水系统瞬变流变化过程,应用三阶ENO有限体积格式求解一维管道非恒定流方程组,基于Lax-Friedrichs通量裂分法重构界面通量,上下游界面采用虚拟网格技术并结合交叉管网边界条件建立了一套高效和高精度求解管道瞬变流水锤波的数值模型。引入GPU加速技术,实现对大型输水系统的高效计算。通过特征线法、一阶及二阶Godunov有限体积格式对模型进行验证,结果表明,三阶ENO格式在极低的Courant数时也能保持较好的间断捕捉性能且无非物理振荡。同时,对Courant数的高度不敏感性,使得模型划分网格时具有高度的灵活性并能显著提高计算速度。应用GPU加速技术,发现模型在较多网格数时有明显的加速效果,且加速效果随网格数增多而显著。本文模型可为长距离输水系统非恒定瞬变过程的高效精准快速模拟预测提供理论支撑。     

考虑床面边界层效应的波浪海床相互作用分析

在考虑海床表面附近黏性边界层的影响下, 考察了波浪与弹性多孔海床之间的相互作用．波浪场包括势流部分和边界层部分,海床域控制方程由比奥固结理论给出．波浪场和海床域通过交界面处应力连续和速度连续条件进行耦合．在简谐波和小变形的前提下,通过联立求解势流方程、波浪边界层方程和海床准静态比奥固结方程得到了波浪运动及相应的海床动力响应的解析解．通过与以往文献的实验结果进行对比,解析解的合理性得到了验证．通过参数分析讨论了实际问题中需要考虑波浪和海床相互作用机制的海床土质条件,以及流体黏性对波能衰减的影响规律．      

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡,了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提.基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽,模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭,并采用修正的VOF方法捕捉自由液面,数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程,重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性.结果表明,建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程,较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程;波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流,其运动过程十分复杂;掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在,其中,气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关,且其输运轨迹主要受周围流场的影响;研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系,发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.     

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.      

气体动理学统一算法中相容性条件不满足引起的数值误差及其影响研究

求解玻尔兹曼(Boltzmann) 模型方程的气体动理学统一算法(unified gas kinetic scheme,UGKS) 是为模拟存在显著稀薄气体效应流动而建立的. 在该方法中,如果速度空间离散采用传统的离散速度坐标法(discreteordinate method,DOM),将会导致相容性条件得不到严格满足,从而引入数值误差. 本文从理论分析及数值试验两方面说明了该数值误差,正比于来流马赫数,反比于来流努森数. 引入了守恒型的离散速度坐标法(conservativediscrete ordinate method,CDOM),在离散层面上确保了相容性条件得到严格满足. 圆柱绕流计算结果表明,来流马赫数较高、努森数较小时,相容性条件满足与否对计算结果影响较大,采用CDOM 可以在较稀的速度空间网格上得到网格无关解,缩减计算量最大可达2/3.