基于光滑粒子方法的推板式波浪水槽实验研究

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黄晓婷;孙鹏楠;吕鸿冠;钟诗蕴【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2022(54)6【摘要】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.【总页数】15页(P1502-1515)【作者】黄晓婷;孙鹏楠;吕鸿冠;钟诗蕴【作者单位】中山大学海洋工程与技术学院;南方海洋科学与工程广东省试验室(珠海)【正文语种】中文【中图分类】O352【相关文献】1.基于修正光滑粒子流体动力学的爆轰波对金属球壳的压强数值模拟2.波浪对透空式结构物冲击作用的光滑粒子流体动力学数值模拟3.基于修正剑桥模型的光滑粒子流体动力学的土柱崩塌模拟4.基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究5.基于光滑粒子流体动力学的滑油泵数值仿真因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第03期（总第466期）吉林水利2021年3月［文章编号"1009-2846(2021)03-0001-05基于VOF法的波浪数值模拟水槽（池）建立探索关大玮董志3,苗青竿张从联®（1.广东省水利水电科学研究院广东省水动力学应用研究重c实验室，广东广州510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州510635；3.广东省水安全科技协同创新中心，广东广州510635）［摘要］基于CFD技术建立的数值波浪水槽试验，使用了波浪理论构建的数｛水槽模型，在一定程度上能够代替物理实验的波浪水槽％数值波浪水槽构建难点在于实际波浪由于受到建筑物、地形等影响，往往会发生破碎、涡旋等现象，造波消波方法的选择也会对数值水槽建立和计算的准确性产生不同程度的影响％本文采用FLOW-3D软件，利用VOF方法，建立波浪数值水槽，将实验结果与Vincent and Briggs的椭圆浅滩实验结果对比，二者较为一致，说明波浪数值水槽结果合理有效％［关键词］数值水槽；造波；消波；数值模拟［中图分类号］TV139.20引言近年气候变化导致极端天气时有出现，台风、海啸和风暴潮时有发生。

灾害发生时，海堤在使沿海地区免遭潮、浪袭击的方面起到关键作用％所以，海堤的破坏往往导致严重的后果％因此，对海堤越浪影响的研究也愈发充分％越浪研究的实验关键在于能模拟现实情况的波浪水槽。

传统的波浪水槽建立在实验室，通过造波机波浪，将的模于水槽，果％传统物理实验水槽存在人力、力和时间本过高,测的有限的问题，的情况下难以一一模拟到，研究。

机技术发展，于CFD建立的数值波浪水槽试验，用的案例越来越％使用波浪理论建的水槽模，在理实验的波浪水槽。

于机建立的波浪水槽，［文献标识码］B传统理水槽，人力和，，使用的案例也愈发％112建立有的波浪水槽，在理后，的高波陡的0.3—0.5%、122于的N-S方和VOF方法，利用CFD软件FLUENT,经二次开发提出边界造波、多孔介质消波的方法，建立对波高0.16、有模拟弱线波浪水槽，具有高的实用价％李世森132用“三点”分离反射波，〕讨波浪水槽的建立时，如何组合消波介质能得最好的消波效果％路宽等142对几种的紊流模型进行对比，认为在波浪水槽中，RNG k-s 模型精度最高。

基于SPH方法的淹没水平板消波特性分析李文博;王国玉;张美林;王永学【摘要】应用光滑半立子法(SPH)模拟了规则波对淹没水平板的作用问题,并将波面的数值计算结果与物理水槽中的观测结果进行了对比,表现出较好的一致性.基于数值计算结果与实验数据的比较,探讨了反射系数和透射系数随着相对宽度的变化规律,并给出了淹没水平板周围的流场变化情况,揭示了淹没水平板的消波特性和淹没水平板上下水体的运动规律.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2015(030)005【总页数】8页(P93-100)【关键词】淹没水平板;SPH;数值模拟【作者】李文博;王国玉;张美林;王永学【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TV139.2水平板结构以其结构简单、生产经济、性能优良等优点，逐渐成为一种概念型的防波堤结构，并且关于波浪和水平板作用的相关问题已经展开研究。

Mani和Jayakumar[1]、Brossard和Chagdali[2]、Haruyuki Kojima[3]等对下部为立柱或者锚链结构、上部为阀式或板式结构的防波堤开展了研究工作。

在后续的研究工作中，部分学者探讨了相对板长[4，5](板长/波长)、相对厚度[4](板厚/水深)、相对水深(水深/波长)、相对潜深(淹没深度/水深)、波陡(波高/波长)、板的倾斜度[6]、板的空隙率、规则波与不规则随机波等因素对水平板结构消波效果的影响。

这些研究工作大多基于物理模型试验的方法展开，现有的关于波浪与水平板结构作用的问题一般基于无粘势流函数理论下的边界元和有限体积法。

光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)自Lucy7]、Gingold和Monaghan[8]提出后，最初应用于研究宇宙天体之间的运动规律，后来被不断延伸应用到相似的满足粒子离散和光滑核函数插值积分这两个基本要求的诸多领域，如电磁场、分子热传导、爆炸力学、穿透冲击力学、计算流体力学以及新近的描述自由水面运动的波浪流体力学等。

自主研发数值波浪水槽及其在海洋工程与技术专业实验教学中的应用作者：来源：《高教学刊》2021年第34期摘要：针对物理模型实验成本高且存在比尺限制等问题，采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法自主研发数值波浪水槽，并与物理波浪水槽相结合应用于海洋工程与技术专业的波浪实验课程教学。

教学改革和实践表明，数值与物理波浪水槽相辅相成，可为学生提供灵活机动的创新实验平台，基于数值波浪水槽的虚拟仿真实验可充分调动学生积极探索的热情和主动学习的兴趣，为培养海洋工程与技术专业的领军人才奠定坚实基础。

关键词：数值波浪水槽;虚拟仿真;教学改革中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）34-0104-04Abstract： Combined with the physical wave tank， the numerical wave tank is applied to the wave experiment teaching of marine engineering and technology major by using the smooth particle hydrodynamics（SPH） method due to the high cost and scale limitation of physical model. The teaching reform and practice show that the complementation of numerical and physical wave tank can provide flexible innovative experimental platform for undergraduate students. Virtual simulation experiment based on numerical wave tank can fully mobilize students' enthusiasm for activeexploration and interest in active learning， and lay a solid foundation for training leading personnel in Marine Engineering and Technology.Keywords： numerical wave tank; virtual simulation; teaching reform波浪的形成变化及传播规律是研究海岸地貌演变、港口及航道工程及海岸带资源利用与保护的基础，是土木、水利及海洋工程专业学生需牢固掌握的基本内容[1]。

基于OpenFOAM的三维数值波浪水槽研究及应用的开题报告一、研究背景波浪是海洋中极为重要的一种物理现象，对海洋工程、海洋运动、海洋气候等领域具有重要的影响。

波浪水槽在波浪研究、海洋工程、海洋能源等领域也有着广泛的应用。

因此，波浪水槽的研究具有重要意义。

目前，国内外已经有很多学者对波浪水槽进行了研究。

但是，在数值模拟方面，由于波浪水槽的复杂性，数值模拟方法难以准确的模拟波浪水槽中的波浪场。

基于OpenFOAM的三维数值波浪水槽研究及应用，可以提高波浪水槽的研究水平和应用价值。

二、研究目的本研究的目的是基于OpenFOAM对三维数值波浪水槽进行研究，通过数值模拟方法，得到波浪水槽中不同波浪场下的流体动力学特性，并对波浪水槽的应用进行探讨。

三、研究内容1. 构建数值波浪水槽模型。

通过一定的方法构建三维数值波浪水槽模型，包括水槽和波浪发生器。

2. 实现波浪发生器的数值模拟。

通过数值模拟方法模拟波浪发生器中的波浪场，得到波浪的相关参数，如波高、波长、波速等。

3. 实现水槽内流体的数值模拟。

通过数值模拟方法模拟波浪水槽内的流体运动，得到流体的速度、压力等参数。

4. 分析波浪水槽的流体动力学特性。

基于所得模拟结果，对波浪水槽中不同波浪场的流体动力学特性进行分析。

5. 探讨波浪水槽的应用价值。

根据所得结果，对波浪水槽在波浪研究、海洋工程、海洋能源等领域的应用价值进行探讨。

四、研究意义本研究的意义在于：1. 提高波浪水槽的研究水平。

通过基于OpenFOAM的数值模拟方法，可以更准确的模拟波浪水槽中不同波浪场下的流体动力学特性，从而提高波浪水槽的研究水平。

2. 探索波浪水槽的应用价值。

通过分析波浪水槽中不同波浪场下的流体动力学特性，可以更深入的了解波浪水槽在波浪研究、海洋工程、海洋能源等领域的应用价值，为相关领域的研究提供参考。

3. 推进数值模拟方法在海洋领域的应用。

本研究使用了基于OpenFOAM的数值模拟方法，为数值模拟方法在海洋领域的应用推广提供了新的思路和展示平台。

基于光滑粒子方法的水流数值模拟李付鹏;汪继文【摘要】近年来基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的流体模拟成为计算流体力学领域的一个研究热点,由于该方法计算空间导数时不需要使用网格,从而避免了高维拉氏差分网格法中的网格缠结和扭曲,在处理冲击和大变形同题方面具有优越性.对液滴坠人装有液体的方形容器这一具有挑战性水流现象进行了模拟.模捌结果表明,该方法能够模拟液滴与液面碰撞、破碎、融合等水流现象,也能表现出水流飞溅、卷曲等复杂的自由表面特征.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2010(020)007【总页数】4页(P114-116,120)【关键词】光滑粒子流体动力学方法;N-S方程;流体模拟【作者】李付鹏;汪继文【作者单位】安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;O350 引言在计算流体力学领域,基于网格的有限差分方法、有限元方法和有限体积方法是比较成熟的数值方法,但这些方法在处理诸如断裂、冲击和大变形问题时,局部可能会出现计算网格扭曲,从而造成计算结果失真。

光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,以下简称SPH方法)的出现为解决这些问题提供了一个新的思路。

该方法是由Lucy[1]于1977年提出的,同年Gingold和Monaghan[2]也提出了该方法。

90年代以来,研究人员逐渐认识到SPH方法在处理断裂和大变形问题时具有一定的优越性,方法得到了飞速的发展,也得到了日益广泛的应用。

文中介绍了SPH方法的基本思想和主要计算公式,然后对液滴坠入装有液体的容器这一具有挑战性水流现象进行了数值模拟,获得了飞溅、破碎、融合等复杂的水流自由表面特征,并对试验结果进行了分析。

波浪在斜坡堤上传播的数值模拟安蒙华;蒋勤;张长宽【摘要】基于VOF自由表面追踪技术,通过直接求解Navier-Stokes方程及κ-ε方程,建立了求解波浪与建筑物相互作用的数值波浪水槽,并将其用于研究波浪在不透水斜坡堤上传播的物理过程.首先,通过对水平床上非线性波传播过程的模拟分析验证了该数值波浪水槽的模拟精度;在此基础上,对规则波在斜波堤上传播的水动力过程,包括波浪爬坡、越浪及越流等进行了数值模拟,并通过物理模型试验结果对堤前水位及越浪量变化的模型模拟结果进行验证.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】6页(P25-29,35)【关键词】波浪;斜坡堤;爬坡;越浪;数值模拟【作者】安蒙华;蒋勤;张长宽【作者单位】河海大学,江苏南京210029;河海大学,江苏南京210029;河海大学,江苏南京210029【正文语种】中文【中图分类】TV139.2+6波浪传播到斜坡堤时，受斜坡堤底坡的影响，波浪剖面变陡，波峰质点速度增加，致使波浪发生破碎，并沿斜坡爬升。

当波浪的上爬高度超过坡顶时，即发生越浪越流。

正确评估斜坡堤上波浪的爬坡、越浪和越流与堤顶的设计及其安全稳定性密切相关。

因此，研究波浪在斜坡堤上的传播过程，特别是评估波浪的爬高和越浪量，是国内外学者研究的传统热点课题。

早在1955年，Saville T等[1]就针对规则波在斜坡堤上的爬坡以及越浪现象进行了物理模型试验研究。

此后，Owen[2]和Van Der Meer等[3]先后对斜坡堤的越浪量问题做了大量的研究工作。

20世纪90年代以后，Holger Schüttrumpf[4]及Van-Gent[5]通过物理模型试验研究给出了斜坡堤越浪量、越浪流的流速及流深的理论公式。

20世纪70年代后期，随着计算机技术的发展，数值波浪水槽的研究和应用受到人们的关注。

关于波浪在斜坡堤上传播的数值模拟，Hu等[6]基于非线性浅水方程，使用AMAZON模型对斜坡堤上波浪爬高及越浪过程进行了模拟，并与Saville T的试验结果进行了对比。

数值模拟推板式波浪水槽的关键参数取值探讨关超;吴静萍;詹成胜;刘博宇【摘要】Numerical simulation is quite time-consuming for water wave problems due to unsteady flow. In order to solve this problem ,in addition to using the high-performance computer and parallel tech-nique ,it is necessary to optimize the mesh size and time step in the numerical simulation which play key roles in improving calculation accuracy and saving calculation time.In this paper ,assuming that the flow waslaminar ,the two-dimensional wave propagation of piston-type wave flume was numeri-cally simulated with variation of 7 kinds of mesh size in wave direction ,4 kinds of mesh size in wave height direction and 3 kinds of time steps.The accuracy verification was analyzed by the numerical and analytical solutions in the wave height error and degree of wave height attenuation in unit distance. Comprehensively considering the calculation accuracy and time consumption , the optimal mesh size and time step are recommended.The optimal mesh size is related to the aspect ratio of element ,and the aspect ratio is presented in this paper.Then compared history wave elevation of simulation results with experiment results ,they are agree in a satisfactory extent.%对于水波问题,属于非定常流动,数值模拟相当耗时.为了解决这个难题,除了采用高性能计算机和并行技术外,需要优选数值模拟中网格尺度和时间步长,它们在提高计算精度和节约计算耗时中起着关键作用.文中假设流动为黏性层流,改变了7种波长方向网格尺度,改变了四种自由面附近波高方向的网格尺度和改变了三种时间步长,对二维推板式波浪水槽中波浪传播展开了数值模拟.数值模拟的精度用数值计算和解析解的波高误差及单位距离波高相对衰减量来衡量.综合考虑计算精度和计算耗时,推荐了较优的网格尺度和时间步长的取值.较优的网格尺度还与单元网格长宽比有关,文中给出了较优网格尺度对应的单元网格长宽比.将推荐取值下数值模拟的时历波形与试验波形进行比较,二者吻合效果良好.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2018(042)003【总页数】5页(P515-519)【关键词】数值模拟;二维推板式波浪水槽;网格尺度;时间步长【作者】关超;吴静萍;詹成胜;刘博宇【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉 430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉 430063;中交机电工程局有限公司船舶及贸易事业部北京 100088【正文语种】中文【中图分类】U656.20 引言随着计算机技术和计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的发展，从20世纪60年代开始至今，计算流体动力学取得了丰硕的成果，出现了众多的CFD商业软件，如PHOENICS，CFX，FLUENT，STAR CCM+，FLOW-3D，FIDIP等，使得数值模拟方法以其成本低、周期短、精度高等优势在流体力学学科的科学研究和工程项目中已经得到认可和被推广使用[1-2].数值模拟方法在波浪运动、波浪与结构物相互作用问题中的应用，因自由面捕捉技术、造波技术、消波技术、动网格技术等关键技术起步相对较晚，与物理波浪水槽并称为数值波浪水槽，在海岸工程、港口与航道工程、船舶与海洋工程专业的波浪问题研究中起着重要作用.数值波浪水槽造波有3种方法：仿物理(推板式或摇板式)造波法[3-4]、边界造波法[5]和源造波法[6-7].对于水波问题，属于非定常流动.推板式造波适用于浅水波及中等水深波，而摇板式造波则适用于深水波.数值模拟非定常的水波问题，计算相当耗时，除了必须采用高性能计算机和并行技术之外，其网格尺度和时间步长对减少计算时间和保证计算精度起着关键作用.网格尺度、时间步长的取值问题一直受到研究者重视.郭晓宇[8]对源造波的数值波浪水槽进行验证时采用的波参数为波长L=2 m，波高H=0.05 m，水平方向网格尺度取L/20和L/40两种，垂向波高范围内网格尺度取H/8，结果显示两者与解析波形均吻合良好；此外又通过一系列具有不同非线性程度的波浪输入条件进行验证，波长分别为L=30，60和90 m，波高分别为H=1，3和4 m，水平方向网格尺度为L/120，L/180，L/240，发现随着波浪非线性程度的增大，单位波长需要较多网格节点才可以满足足够的精度.查晶晶等[9]用OpenFOAM实现数值波浪水槽造波，采用推板式造波法模拟波高H=0.02 m，周期T=1 s的线性波，所选网格尺度在30 m水池长度范围内的单元数为600，800，1 000，1 500，在垂向波高范围内的单元数为10，20，30，时间步长选取0.008，0.005，0.002，0.001 s进行探讨.通过与解析解比较，最终确定纵向网格、垂向网格和时间步长为1 500，20，0.002和800，10，0.002为最优参数，并得出结论，计算结果的精度主要受波面区域矩形单元的长宽比影响，网格单元越细长，引入的数值黏性越大，由此造出的波与目标波波幅相差太大.Finnegan等[10]采用CFX构建二维摇板式数值波浪水槽，模拟线性深水波与有限水深波，讨论网格依赖性，推荐了最小网格尺度计算式；推荐的时间步长为T/50.管陈等[11]采用FLUENT软件实现摇板式造波，模拟波长L=2 m，波高分别为H=0.04，0.06和0.1 m的规则波，选取RNG 雷诺时均模型，时间步长约为0.001 s，自由液面附近网格最小尺度为波高的1/10～1/20，水平方向网格尺度沿池长方向逐渐加大，并将数值结果与解析解进行比较，发现同一波长下，波高越小，其误差越小，模拟精度越高.此外，虽然一些学者研究数值波浪水槽时未对相关数值造波技术参数进行依赖性的讨论，但在文献中给出了其取值.严汝建等[12]使用FLUENT软件基于摇板式造波，数值模拟波参数为L=8 m，H=0.2 m的规则波，水平方向和自由液面附近垂向网格尺度分别为L/20和H/10，并选取RNGk-ε湍流模型.李宏伟[13]使用FLUENT建立二维数值水槽，采用摇板式造波法模拟参数为L=8 m，H=0.4 m，T=2.2678 s的规则波，水槽长度方向上网格尺度为L/100，自由液面附近进行加密，时间步长为0.001 s，采用RNGk-ε湍流模型.黄华等[14]利用推板式造波法模拟二维二阶Stokes波，波浪参数为L=5.783 2 m，H=0.129 m，T=2 s，给出的网格尺度水平和竖直方向分别约为L/111和H/21，时间步长为T/400.廉静静等[15]采用FLUENT软件，通过摇板式造波模拟参数为L=8 m，T=2.284 8 s的规则波时，时间步长选为0.001 s，采用k-ε湍流模型.本文以某流体力学实验室的小型推板式波浪水槽为原型，基于商业软件FLUENT建立推板式造波的二维数值波浪水槽.选取波浪水槽有代表性的波浪参数造波.考虑水波理论多数基于势流理论，而真实的流体具有黏性，所以假设本文模拟的波浪运动为层流流动.首先讨论了沿波长方向不同网格尺度、自由面附近沿波高方向上不同网格尺度以及不同时间步长对计算精度和计算耗时的影响，通过将数值结果与解析解的比较，综合考虑波高误差、单位距离波高相对衰减量和计算耗时，推荐综合性能较优的网格尺度、时间步长；然后将基于推荐的网格尺度、时间步长的数值结果与试验结果进行比较，两种吻合程度相当令人满意.1 数值方法的基本控制方程本文中二维波浪流动属于黏性、不可压缩和非定常类型，其波浪传播方向为x轴正向，波浪高度方向向上为z轴正向，则流体连续性方程为(1)动量方程为(2)(3)式中：u为x方向速度；w为z方向速度；t为时间；ρ为流体密度；p为压强；ν为运动黏度；g为重力加速度.采用VOF方法捕捉自由液面，控制方程为(4)式中：F为体积分数的函数，F=1为单元体全为水，F=0为单元体全为空气，0<F<1为单元体处于空气与水的交界面上.2 数值计算方法本文建立二维数值波浪水槽.水槽长为19 m(后4 m为消波段)，高为0.8 m，造波水深为0.5 m.生成目标波形的参数为L=1.5 m，T=0.995 1 s，H=0.06 m(为波峰致波谷之间的高度差)，属于二阶Stokes波.采用建模软件Gambit进行数值波浪水槽的模型建立及网格划分，网格均为结构化网格.水槽底部设置边界层网格，自由液面附近进行网格加密，加密总高度为波高的2倍.数值波浪水槽与物理波浪水槽一样，需采要取一定的措施消除水槽末端池壁反射波的影响.数值消波技术主要采用人工阻尼区[16]、辐射边界条件[17]和主动吸收[18]，或者在数值波浪水槽末端使用稀疏网格进行数值耗散[19].本文在消波段采用渐变的稀疏网格耗散波能，从而消除水槽末端反射波的影响.数值波浪水槽上方设为压力出口边界条件；两端及底部设为壁面边界条件，其中左边模拟物理推板造波，赋予推板一个UDF函数，采用layer的动网格方法，使其按照给定的方式进行运动.数值波浪水槽模型和边界条件见图1，网格划分见图2.图1 数值波浪水槽模型和边界条件图2 数值波浪水槽网格划分3 数值波浪水槽模拟计算3.1 时间步长变化时间步长的选取会影响数值计算结果的准确度和计算耗时.本文仅考虑波浪传播方向及自由液面附近网格尺度，首先取计算网格尺度Δx=L/70，Δz=H/10，考虑黏性，采用层流模型，取Δt=T/2 000，T/1 000，T/500三种时间步长进行数值模拟.图3为t=19 s时沿池长方向的波形空间分布，z为波面抬高.表1为x=5 m与x=8 m处时间步长Δt变化时数值波高与解析波高比较的相对误差，以及单位距离波高相对衰减量.图3 时间步长变化对数值模拟波浪传播的影响表1 时间步长变化对数值波浪传播的影响Δt网格单元长宽比H1/m(x=5 m)波高相对误差|H1-H|H×100%H2/m(x=8 m)波高相对误差|H2-H|H×100%单位距离波高相对衰减量/%T/2 0003.570.05488.670.053 710.500.61T/1 0003.570.056 46.000.05626.330.11T/5003.570.057 14.830.058 03.330.50注：H1为x=5 m处数值模拟的波高，H2为x=8 m处数值模拟的波高.单位距离波高相对衰减量采用表达式计算.由表1可知，随着时间步长的增大，数值结果与解析解的误差反而更小.由图3的波形及单位距离波高相对衰减量来看，当Δt=T/1 000时，波形的稳定性相对较好.综合考虑计算精度和波形稳定性，Δt=T/1 000是合适的时间步长选择.3.2 网格尺度变化网格尺度会对计算结果的精度产生影响，因此需对计算网格进行依赖性测试.首先讨论波长方向上网格尺度对数值造波的影响.取自由面附近波浪高度方向上网格尺度为Δz=H/10不变，波浪传播方向(水平方向)上网格尺度分别取Δx=L/50，L/60，L/70，L/80，L/90，L/100，L/110.图4为在t=19 s时波形的空间分布.表2为x=5 m与x=8 m处网格尺度Δx变化时数值波高与解析波高比较的相对误差，以及单位距离波高相对衰减量.图4 水平网格尺度变化对数值模拟波浪传播的影响表2 水平网格尺度变化对数值模拟波浪传播的影响Δx网格单元长宽比H1/m(x=5 m)波高相对误差|H1-H|H×100%H2/m(x=8 m)波高相对误差|H2-H|H×100%单位距离波高相对衰减量/%L/505.000.05449.330.053 910.170.28L/604.170.055 87.000.055 57.500.17L/703.570.056 46.000.056 26.330.11L/803.130.057 05.000.056 95.170.06L/902.780.057 24.670.057 14.830.05L/1002.500.057 44.330.057 34.500.06L/1102.270.057 54.170.057 44.330.05由图4与表2可知，当波浪传播方向上网格尺度Δx=L/80时，数值结果与解析解的误差已比较小.保持Δx=L/80不变，取波浪高度方向上、在自由面附近加密的网格尺度分别为Δz=H/10, H/20, H/30, H/40.图5为在t=19 s时波形的空间分布.表3为x=5 m 与x=8 m处网格尺度Δz变化时数值波高与解析波高比较的相对误差，以及单位距离波高相对衰减量.图5 竖直网格尺度变化对数值模拟波浪传播的影响表3 竖直网格尺度变化对数值模拟波浪传播的影响Δz网格单元长宽比H1/m(x=5 m)波高相对误差|H1-H|H×100%H2/m(x=8 m)波高相对误差|H2-H|H×100%单位距离波高相对衰减量/%H/103.130.05705.000.056 95.170.06H/206.250.056 85.330.05646.000.22H/309.380.056 85.330.056 46.000.22H/4012.500.056 95.170.056 46.000.28由图5和表3可知，波浪高度方向上网格尺度为Δz=H/10时数值计算结果基本趋近解析解.一味减小Δz并不能增加计算精度，要考虑合适的网格单元长宽比.综合上述工作，本文波浪数值模拟的计算网格尺度为Δx=L/80，Δz=H/10已经能够达到较好的精度.4 与物理试验结果比较依据数值模拟推板式波浪水槽波浪传播的关键参数取值分析，所推荐的网格尺度Δx=L/80，Δz=H/10和时间步长Δt=T/1 000，选取层流模型，数值模拟波长为1.5 m、波高为0.06 m的波，将此数值计算结果与物理试验比较，进一步验证该数值算法的可靠性.物理试验水槽为武汉理工大学流体力学实验室小型推板式波浪水槽，长为18 m、宽为0.6 m、高为0.8 m、水深为0.5 m.试验采用伺服电机控制推板造波，在水槽x=5 m与x=10 m处各布置一个浪高仪，用以测量波高随时间的变化.在数值计算中，同样在x=5 m与10 m处设置虚拟浪高仪，得出随时间变化的波形图.图6为数值模拟结果与试验结果的比较.表4为x=5 m与10 m处数值平均波高与试验平均波高的比较及相对误差(图6方框内平均波高).图6 数值结果与试验结果的比较表4 数值结果与试验结果的比较H1/m(x=5 m)H2/m(x=10 m)试验结果 0.057 20.055 9数值结果 0.056 50.055 3相对误差/%1.221.07由图6与表4可知，数值模拟的波形与试验波形吻合程度很好，其变化趋势表现出良好的一致性，验证了该数值算法的有效性.5 结论1) 本文数值波浪水槽中推荐采用：波浪传播方向网格尺度取Δx=L/80，自由液面附近波高方向网格加密尺度取Δz=H/10，时间步长取Δt=T/1 000；网格尺度确定还要满足一定的单元长宽比.2) 数值模拟的结果与物理试验结果吻合程度很好，验证了本文数值算法的有效性. 在展开新型浮式防波堤衰减长周期波性能研究时遭遇物理波浪水槽长度尺度限制的问题.本文工作为发挥数值波浪水槽的优势，利用数值模拟手段辅助物理试验进行研究奠定了基础.也为读者应用数值波浪水槽进行研究提供有益参考.参考文献[1] 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社，2004.[2] 韩占忠.FLUENT：流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社，2010.[3] HEMMING A，SCHFFER. Second-order wavemaker theory for irregular waves [J]. Ocean Engineering, 1996,23(1):47-88.[4] PRASAD D D, AHMED M R, LEE Y H, et al. Validation of a piston type wave-maker using Numerical Wave Tank [J]. Ocean Engineering,2017,131:57-67.[5] 刘霞，谭国焕，王大国.基于边界造波法的二阶Stokes波的数值生成[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2010，29(1):107-111.[6] LIN P, LIU P, L F. Internal wave-maker for navier-stokes equations models[J]. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 1999,125(4):207-217.[7] WEI G, KIRBY J T, SINHA A. Generation of waves in boussinesq models using a source function method[J]. Coastal Engineering, 1999,36(4):271-299.[8] 郭晓宇.数值波浪水槽及其应用研究[D].上海：上海交通大学，2011.[9] 查晶晶，万德成.用OpenFOAM实现数值水池造波和消波[J].海洋工程,2011,29(3):1-12.[10] FINNEGAN W, GOGGINS J. Numerical simulation of linear water waves and wave-structure interaction [J]. Ocean Engineering, 2012,43(4):23-31.[11] 管陈，董国祥，金允龙.三维数值波浪水池造波技术研究[J].上海船舶运输科学研究所学报,2013,36(2):11-15.[12] 严汝建，庞永杰，李宏伟，等.深水池造波系统数值造波仿真研究[J].哈尔滨工程大学学报,2010,31(1):32-41.[13] 李宏伟.数值水池造波方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.[14] 黄华，邓冰，陈昱松，等.数值波浪水槽构建与二阶Stokes波仿真[J].系统仿真学报,2012,24(1):227-231.[15] 廉静静，尹勇，杨晓，等.基于黏性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究[J].船舶力学,2013(1):56-62.[16] 赵西增，孙昭晨，梁书秀.非线性波浪水槽内波浪的产生和传播[J].船舶力学,2010,14(3):203-216.[17] ORLANSKI I. A simple boundary condition for unbounded hyperbolic flows[J]. J Comput Phys, 1976,21(3):251-269.[18] DEEPAK D P,MOHAMMED R A,YOUNG H L,et al. Validation of a piston type wave-maker using Numerical Wave Tank [J]. Ocean Engineering, 2017,131:57-67.[19] PARK J C, UNO Y, SATO T, et al. Numerical reproduction of fully nonlinear multi-directional waves by a viscous 3D numerical wave tank[J]. Ocean Engineering, 2004,31(11):1549-1565.。

推摇组合式造波的波流循环水槽设计与研究
吴思儒;姜楚华;陈俊华;鲍灵杰;李浩;王声虎
【期刊名称】《宁波大学学报（理工版）》
【年(卷),期】2024(37)3
【摘要】针对海工实验波流水槽中的造流装置与造波装置间存在的干扰问题,研发了推摇组合式造波的波流循环水槽,并分别从造流和造波两个方面进行了设计和验证.综合设计循环流道、造流驱动装置及稳流出水口,保障实验区域水流稳定性及可控性;采用倒挂式摇摆结构,结合平行四边形结构运动特点,实现倒挂推摇组合式造波,在保证波形质量的同时减小对流道的影响;建立数学模型分析推块运动与波浪要素间的关系;基于西门子PLC开发实验测试平台测控系统搭建整个实验平台,完成水槽各项性能测试.结果表明,实验平台能够实现最大流速1.5 m∙s^(–1),且同时满足造波周期1~4 s,波高范围0.1~0.6 m的单独造波及所需要的波流海况耦合,能满足相关科教应用要求.
【总页数】8页(P20-27)
【作者】吴思儒;姜楚华;陈俊华;鲍灵杰;李浩;王声虎
【作者单位】宁波大学机械工程与力学学院;宁波大学科学技术学院应用技术学院【正文语种】中文
【中图分类】TP271
【相关文献】
1.二维数值造波水槽不规则波之数值研究
2.推摇组合式造波机参数研究与结构设计
3.基于VOF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究
4.小型室内水槽造波造风系统设计
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基于大型波流水槽的FL-TENG水动力试验研究
李俊锋;杨小龙;赵正华;曾海铃;邵俊洁;巫志文
【期刊名称】《广西水利水电》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】本研究以莲花状摩擦纳米发电装置(FL-TENG)为研究对象。

利用大型波
流水槽构建FL-TENG模型试验,得到FL-TENG在不同工况下的发电性能和水动力性能。

分析FL-TENG的电流和电压等效值以及横摇和缆力幅值随波浪波高、周期、流速以及装置负重等工程变量的变化规律;并从船舶动力学和FL-TENG结构原理的角度出发,分析和讨论呈现该变化规律的原因;最后通过分析不同工况变量的情况下,FL-TENG的发电性能随横摇幅值的变化规律,得到FL-TENG发电性能和横摇幅值的关系。

【总页数】8页(P13-20)
【作者】李俊锋;杨小龙;赵正华;曾海铃;邵俊洁;巫志文
【作者单位】广西大学土木建筑工程学院;广西大学工程防灾与结构安全教育部重
点实验室;广西大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TV748
【相关文献】
1.高分子编结网片水动力特性水槽试验研究
2.PA单丝网片水动力特性水槽试验研
究3.波流循环水槽教学实验平台建设与水动力模型实验方案探讨4.大型波流水槽
整流区间长度的优化研究5.基于大型数值波流水池的海洋油气水下装备水动力测试
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波浪水槽综合实验一、实验目的：1、了解波浪水槽实验的基本原理和理论基础：包括基本造波方法、波浪理论、相似理论和近岸波浪传播现象2、了解造波机、浪高仪的基本构成和测量原理。

3、 通过实验采集一组波浪信号，分析波浪频谱特征4、 观测海堤附近波浪现象和越浪形态。

二、实验原理：1.造波方法和基本波浪理论自由表面重力波是船舶工程、海洋工程和海岸工程领域十分普遍的现象，配备造波机的波浪水槽是模拟波浪与二维结构物相互作用的常用实验设备。

通过给定造波信号由液压泵或步进电机控制推板运动，在波浪水槽中产生特定波列。

距离造波板2-3个波长外可以略去局部非传播模态的影响，可认为水槽中为行进波。

在水槽中通过浪高仪可以测量水槽中不同位置的波面时间过程线。

水槽中常用测力天平和压力传感器测量水动力载荷。

水槽末端设置多孔介质构成的消波区，消除反射波。

图1 波浪水槽示意图2.相似原理自由表面重力波的恢复力是重力，进行以重力为主要作用的流动实验通常采用重力相似准则或傅汝德数相似，其定义为/Fr v =，其中为流速，L 为特征长度，为重力加速度。

v g 波浪断面模型实验一般按重力相似准则设计。

若取几何比尺/2L p m L L 0λ==，有关物理模型比尺如下：时间比尺： 4.47t λ==速度比尺：4.47v λ==重度比尺： 38000WL λλ==单宽流量比尺：89.44Q λ==式中为工程原型长度，为模型长度。

pL mL 风速模拟通常按重力相似，风速测点位于测量断面上方中心。

3 近岸波浪现象3.1 线性波浪理论在平底均匀水深域中，根据势流理论波浪呈周期性分布。

单色行波波浪参数包括波浪周期T ，波长L ，波高H 和水深h ，如图2所示。

周期、波长和水深满足色散关系，对于线性波浪其表达式为，，其中波浪圆频率2tanh gk kh ω=2/T ωπ=，波数2/k L π=。

波高水深比为小量的波浪称为小振幅波，可用线性波浪理论描述，见图3。