基于VOF方法的不规则波阻尼消波研究

【摘要】： 随着计算机数值模拟技术的发展,应用数值波浪水槽模拟波浪的运动、变形及其与建筑物的相互作用,已经成为计算流体力学的一个重要发展方向。在数值计算中,由于计算域不可能无限大,为建立无反射数值波浪水槽,需在数值波浪水槽的末端设置合理的出流边界条件,消除水槽末端的反射波浪,从而在有限的计算域内模拟出无限远的外域。 在基于VOF方法建立的数值波浪水槽中,对于规则波,在出流边界处采用Sommerfeld线性辐射条件作为开边界条件处理。对于随机波,由于随机波是由多个不同波高、不同周期和不同随机初相位的余弦波叠加而成,其各组成波的相速度是不同的,因此难以确定波浪在出流边界上的相速度,这使得Sommerfeld线性辐射条件在不规则波数值波浪水槽中不再适用。 本文对基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽进行了阻尼消波研究,以湍流运动方程一雷诺方程为控制方程,在近壁区应用壁函数技术,在数值波浪水槽的左端设置了主动吸收式造波机。在水槽右端的出流边界处,设置了一定长度的海绵层来吸收波浪。文中比较了不同衰减系数的海绵层的消波效果,以及衰减系数的不同经验参数对水槽反射率的影响,给出了消波效果最好的衰减系数形式和对应不同波要素的最佳经验参数取值范围。由水槽中波面高度沿水槽的空间分布情况可见,所选取的海绵层衰减系数可以在一至二倍波长范围内将行进波消减完全,水槽不同位置处的计算波谱与靶谱吻合较好。数值计算结果表明本文所采用的海绵层阻尼消波技术能够避免在出流边界处产生反射,结合主动吸收式造波技术,实现了基于VOF方法的不规则波无反射数值波浪水槽。