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基于开源软件OpenFOAM的数值波浪水槽建立及应用

徐少鲲  
【摘要】: 波浪现象是港口海岸工程研究的重要问题之一,理论分析、原型观测、物理模型实验、数值模拟是研究波浪问题的主要方法。其中,数值模拟方法由于节省人力物力,不受实验场地和观测仪器影响,同时实验条件和参数容易进行控制和改变,能模拟多种因素在复杂条件下的物理过程,而得到广泛应用。基于此,本文建立了一个三维数值波浪水槽,对波浪的传播变形及其与建筑物的相互作用进行研究。 在开源软件包OpenFOAM的基础上,本文建立了一个基于非结构化网格利用有限体积法求解N-S方程的三维数值波浪水槽模型。模型采用VOF法追踪自由表面,并有多种紊流模拟方式可供选择,具有较高的精度,能很好地模拟波浪的传播变形。此外,程序按MPI标准编写,可以应用并行计算提高计算效率。 采用本文建立的模型,选用RNG模型针对高桩墩式结构影响下的波浪特性进行了二维数值模拟,计算分析了不同淹没深度、不同宽度的墩台影响下的波浪传播特性,以及墩台侧面和底面受波压力的变化情况,探索了不同尺度墩台结构与波浪相互作用的规律。通过对原型尺度算例的模拟,分析了波浪作用下高桩墩式结构稳定性的主要影响因素。 通过采用LES,本文对潜堤附近波浪场及其流动特性进行了三维模拟,并与PIV实验结果进行了对比。计算分析了潜堤结构附近涡的尺度、生成机理和运动变化特征,并得出了潜堤附近波浪运动的三维特性及紊动特征。 针对数值波浪水槽的波高衰减问题,本文提出了相应的解决方案,同时,针对并行环境下的数值计算,本文通过对计算日志的分析探讨了计算网格划分、计算任务设置与计算效率之间的关系,得出了一些有意义的结论。


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