基于FLUENT的海堤越浪数值模拟

第35卷第4期2020年08月中国海洋平台CHINA OFFSHORE PLATFORMVol.35No.4Aug.,2020文章编号：1001-4500(2020)04-0056-04基于Fluent的波浪对海岸冲击的数值模拟陈从磊1,刘桢S王玉红彳，梁旭$(1•中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083；2•浙江大学海洋学院，浙江舟山316021)摘要：在Fluent软件的基础上，通过流体体积算法，数值模拟波高为0.2m.周期为1.5s、波长为3.5m的波浪对墙体的冲击过程，重点研究波浪对墙体的冲击力作用和网格尺寸对流场变化的影响。

由模拟结果得出：墙体受到的冲击压力在时间历程上具有一定的周期性，但冲击压力的峰值具有一定的随机性；网格尺寸不同会导致自由面重构的不同，从而使流体体积法捕捉到的流场速度和压力不同，网格越精细，捕捉到的冲击压力更精确。

关键词：Fluent软件；海岸冲击；流场；数值模拟中图分类号：U656.2文献标志码：ANumerical Simulation for Impact of Waves on Coast Based on FluentCHEN Conglei1,LIU Zhen2,WANG Yuhong2,LIANG Xu2(1.Institute of Petroleum Exploration and Development,China Petroleumand Chemical Corporation,Beijing100083,China；2.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan316021,Zhejiang,China)Abstract:On the basis of Fluent software,Volume of Fluid(VOF)algorithm is used to numerically simulate the impact of waves on the wall under certain conditions that wave height is0.2m,wave period is1.5s and wave length is3.5m.Main attention is paid to the impact pressure,velocity field and the effects of grid size on the characteristics of the flow field.The simulation results show that：the impact pressure on the wall is of some periodicity in time history but the peak of the impact pressure is of some randomness；different grid sizes will affect different reconstructions of the free surface,so that the speed and pressure of the flow field captured by the VOF method are different,and the finer the grid,the more accurate the captured impact pressure is.Key words:Fluent software；impact on coast；velocity field；numerical simulation0引言我国每年都遭受严重的台风灾害。

基于潜堤地形上的波浪传播模拟作者：李海涛唐啸宇李梦如袁荣耀徐乐然来源：《科技资讯》2017年第19期摘要：该文应用软件为FLUENT流体分析软件，控制方程为连续性方程和Navier-Stokes 方程。

应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。

基于标准RNG 湍流模型和VOF自由液面捕捉方法，利用FLUENT的二次开发编写源程序，赋予前边界造波功能，形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。

建立潜堤地形下的波浪水槽模型，模拟潜堤地形下的波浪传播，其结果与实验值对比吻合良好，验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。

关键词：Fluent 推波板造波潜堤中图分类号：TV13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0197-04河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济，且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。

准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。

潜堤在保护海岸工程建筑物发挥巨大的作用。

因此，该文基于FLUENT对波浪在潜堤上的传播模拟做了一定研究。

结果表明利用推板式造波法能够模拟波浪在潜堤地形上的传播，为进一步研究波浪爬高、波流相互作用积累了经验。

1 研究背景及意义河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济，且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。

准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。

波浪在由深水向近岸传播的过程中，由于水深的变化，近岸区域的边界和建筑物等各种因素的作用，波浪会发生一系列的变化，例如有反射、绕射、折射、破碎等复杂多变的物理现象。

解决这一问题的研究方法现在主要有三种方法，分别是理论研究、物理模型试验以及数值模拟。

理论分析对试验和数值模拟具有相当重要的指导意义，但理论解通常是在简化模型的基础上求得，尽管对认识复杂问题的物理本质有着不可替代的作用，但是在解决实际工程问题中有局限性。

考虑护面块体影响的越浪数值模拟郭立栋;孙大鹏;王鹏;黄明汉【摘要】为了在斜坡堤数值计算中考虑护面块体的影响,借鉴海绵阻尼层的消波方式,在湍流模型的控制方程中引入等效护面块体系数μ*的概念,并将等效系数μ*与规范中常用的糙渗系数K△相联系,构建了基于糙渗系数K△求解等效系数μ*的数值转换途径.该方法拓展了波浪数值模型的应用范围,在波浪与结构物相互作用的数值研究方面具有新意.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P32-35,40)【关键词】数值模型;护面块体;等效系数;糙渗系数【作者】郭立栋;孙大鹏;王鹏;黄明汉【作者单位】中交第一航务工程局有限公司,天津300461;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;长江航道规划设计研究院,湖北武汉430011;中交天津港湾工程研究院有限公司,天津300222【正文语种】中文【中图分类】TV871斜坡式防波堤是一种常见的海岸结构物，能够有效地阻止波浪对堤后的侵袭。

在实际工程中，斜坡堤的堤前均铺设有护面块体。

护面块体是抛筑在护面层上以保证堤身在波浪作用下稳定的各种特定形状的混凝土块体，具有重心低、稳定性好、施工方便、护面平整美观等优点，常见的护面块体结构形式[1]主要有实心式、空心式和杆件式。

护面块体是斜坡堤的重要组成部分，一方面通过护面层的空隙和表面粗糙度形成紊流消能，降低波浪爬高；另一方面靠块体的自重和块体间的咬合、嵌固作用抵御正面波浪冲击力和上浮力，提高护面层的稳定性。

因此，在斜坡堤的物理模型试验及数值模型计算中均无法忽视护面块体的作用。

目前，对于带护面块体斜坡堤的湍流数值研究多采用多孔介质模型[2]，该模型是通过雷诺时均方程(RANS)中引入渗透介质理论得到的。

Arikawa等[3]采用考虑多孔介质作用的RANS方程建立了VOF二维数值波浪水槽，对越堤水体与堤后结构物的流体作用力进行研究。

ABSTRACTWave overtopping on seawall may lead to flooding over the area behind the seawall, being unusable of normal operations and even potential damage of the structure itself. Accurate estimation and simulation of wave overtopping have great significance in the design and usage of seawall. DualSPHysics is a weakly compressible, open-source hydrodynamic SPH model, which can easily capture large free surface deformation in strong nonlinear flows. DualSPHysics model uses parallelized technique and has high computation efficiency. Wave overtopping is studied by using the DualSPHysics model. The main research contents and conclusions obtained are as follows:(1) Active wave absorption system (AWAS) has been implemented in DualSPHysics model both for regular and random waves. Numerical results are validated by theoretical solutions, showing that the reflected secondary waves are well absorbed.(2) Numerical simulations of regular and random wave overtopping are conducted for sloping seawalls by using the DualSPHysics model combined with AWAS. The numerical results are compared with the experimental data of Saville (1955) and other numerical data of OpenFOAM et al. Good agreements are obtained, which show that DualSPHysics model can be used to simulate regular a random wave overtopping with good accuracy. Comparisions between numerical results of DualSPHysics and Sainflou formula as well as experiment data of wave pressure performed in large-scale wave flume semi-circular breakwater show that DualSPHysics model provides good prediction of wave impact on coastal structures.(3) DualSPHysics model is employed to reproduce random wave overtopping on breakwaters with different slopes. Comparision has been conducted among predicted results of overtopping discharge of irregular wave by the main popular formulas. It shows that the prediction formula in Coastal Engineering Manual gives the best results. Numerical simulation of wave overtopping of a sloping seawall with armour block is carried out and comparisons between smooth sloping seawall and sloping seawall with armour block have been conducted. Results show that armour block can increase wave energy dissipation on wave overtopping process. However, there exists structure and fluid particles separation phenomenon in the modeled results, which needs futher improvements.(4) Numerical simulations of regular wave overtopping on six different types of seawalls have been conducted by using the DualSPHysics model. Comparisions between vertical wall and curved wall as well as recurved wall on wave overtopping discharge and wave force show that recurved wall reduces wave overtopping discharge effectively but the wave force exerting on recurved wall is large; in contrast, wave overtopping discharge of curved wall and vertical wall are much larger and the wave force exerting on curved wall is much smaller. Finally, the influences of relative freeboard, wave period and water depth at the toe of seawall have been discussed on wave overtopping discharge of different seawalls, respectively.KEY WORDS：DualSPHysics model, Seawall, Active wave absorption system, Wave overtopping discharge, Wave force, Armour block, Overtopping rate prediction formula目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 防波堤越浪物模试验研究现状 (2)1.2.2防波堤越浪数值模拟研究现状 (4)1.2.3 SPH研究越浪现状 (5)1.3 论文主要工作和创新点 (7)第2章DualSPHysics模型介绍 (9)2.1 DualSPHysics模型理论基础 (9)2.1.1 积分近似 (9)2.1.2 粒子近似 (10)2.1.3 控制方程 (11)2.2 积分格式 (12)2.2.1运动基本控制方程 (12)2.2.2 Verlet数值积分格式 (13)2.2.3 Symplectic数值积分格式 (13)2.2.4 变时间步长 (14)2.3 边界条件 (14)2.3.1 动力边界条件DBC (14)2.3.2 周期性边界条件PBC (15)2.4DualSPHysics前处理 (15)2.5 DualSPHysics后处理 (16)2.5.1 自由表面高程算法 (16)2.5.2 流速求解算法 (17)2.5.3 压应力求解算法 (17)2.5.4作用力求解算法 (17)第3章DualSPHysics主动吸收式造波 (19)3.1 造波理论 (19)3.1.1一阶规则波理论部分 (19)3.1.2二阶规则波理论部分 (20)3.1.3不规则波理论部分 (20)3.2DualSPHysics数值造波结果 (22)3.3主动吸收式造波 (26)3.3.1DualSPHysics主动吸收式造波理论及实现步骤 (26)3.3.2 主动吸收式造波验证算例 (28)3.4 本章小结 (32)第4章DualSPHysics模拟波浪与结构物相互作用验证 (33)4.1 粒子间距dp敏感度分析 (33)4.1.1越浪量对粒子间距dp的敏感度分析 (33)4.1.2作用力对粒子间距dp的敏感度分析 (34)4.2 DualSPHysics模拟斜坡堤越浪量正确性验证 (35)4.2.1斜坡堤越浪模型设置 (35)4.2.2斜坡堤越浪实验波高率定 (36)4.3 DualSPHysics计算结构物上作用力验证 (39)4.3.1 DualSPHysics数值模拟结果与理论公式计算值对比 (40)4.3.2 DualSPHysics数值模拟结果与物理模型实验值对比 (43)4.4 本章小结 (46)第5章基于DualSPHysics模型的海堤越浪数值模拟 (47)5.1DualSPHysics模拟斜坡堤上不规则波越浪 (47)5.1.1 斜坡堤上不规则波越浪实验波高率定 (47)5.1.2 不规则波越浪数值模拟试验装置和参数设置 (49)5.1.3 不规则波作用下斜坡堤越浪过程流场分析 (51)5.1.4 不规则波作用下斜坡堤越浪过程涡量分析 (56)5.1.5 斜坡堤越浪量公式计算结果对比 (58)5.2 坡面铺设扭王字块体斜坡堤越浪数值模拟研究 (59)5.2.1 扭王字块模型建立 (59)5.2.2 光滑坡面与铺设扭王字块体坡面斜坡堤越浪过程对比 (61)5.2.3 波浪爬坡过程涡量对比图 (64)5.2.4DualSPHysics模拟铺设扭王字护面块体斜坡堤越浪问题探讨 (65)5.3 不同结构型式的海堤越浪研究 (65)5.3.1不同结构型式海堤越浪模型设置 (65)5.3.2不同结构型式海堤越浪数值模拟结果 (66)5.3.3 直立堤、弧形堤和反弧形堤越浪过程和受力对比 (68)5.4不同因素对海堤越浪量的影响研究 (73)5.4.1 相对干舷高度对不同结构型式海堤越浪量的影响 (73)5.4.2 波周期T对不同结构型式海堤越浪量的影响 (74)5.4.3 堤脚水深ds对不同结构型式海堤越浪量的影响 (75)5.5 本章小结 (76)第6章结论与展望 (78)6.1 论文主要工作 (78)6.2 研究展望 (79)参考文献 (80)发表论文和参加科研情况说明 (84)致谢 (85)第1章绪论1.1研究背景和意义我国拥有漫长的海岸线，其中大陆岸线长达18000公里，岛屿岸线长达14000公里，这些海岸线主要分布于我国东部沿海经济发达地区。

5.3 水流对沙滩冲刷过程的数值模拟5.3.1案例简介本案例是对水流冲刷沙滩过程的气固液三相流进行数值模拟，如图5-3-1所示，这是一个简化的二维模型，区域总长度为2000mm，总高度为500mm，下半部为一倾斜的沙子区域。

水流从左上角的100mm高的进口流入，进入区域冲刷沙子，然后从右侧500mm高的出口流出。

通过模拟，可清楚的看到水流对沙滩的冲刷过程，已经气固液三相的分布情况。

图5-3-1 水流冲刷模型5.3.2 Fluent求解计算设置1．启动Fluent-2D（1）双击桌面Fluent14.0图标，进入启动界面。

（2）选中Dimension→2D单选按钮，取消对Display Options下的三个复选按钮的选择。

（3）其它保持默认设置即可，单击OK按钮进入Fluent 14.0主界面窗口。

2．读入并检查网格（1）执行菜单栏中的File→Read→Mesh命令，在弹出的Select File对话框中读入convection.msh二维网格文件。

（2）执行菜单栏中的Mesh→Info→Size命令，得到如图5-3-3所示的模型网格信息：共有14342个节点，28411个网格面，14070个网格单元。

（2）执行菜单栏中的Mesh→Check命令。

反馈信息如图5-3-4所示，可以看到计算域三维坐标的上下限，检查最小体积和最小面积是否为负数。

图5-3-3 网格数量信息图5-3-4 Fluent网格信息3．求解器参数设置（1）单击选择左边workspace中P roblem Setup→General命令，在出现的General 面板中进行求解器的设置。

（2）General面板中，开启重力加速度。

单击选中Gravity复选按钮，Y(m/s2)文本框输入-9.8，Time下选中Transient单选框，其它求解参数保持默认设置，如图5-3-6所示。

图5-3-6求解参数设置（4）单击选择Problem Setup→Model命令，对求解模型进行设置，如图5-3-7所示。

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Fluent斜坡海堤挡浪墙受力特性数值计算研究杨成刚;丁洁;郝嘉凌;邹恒【摘要】海堤是沿海地区防潮减灾体系中重要建筑物,文章以通州湾腰沙围垦二期通道工程为例,采用Fluent软件流体体积法模型构建数值波浪水槽,对海堤工程挡浪墙波浪力进行数值模拟,重点分析与研究直立型和半圆弧型挡浪墙随水深、波高、波长等参数变化时,挡浪墙迎浪面波压力分布以及波浪力大小变化规律.研究表明半圆弧挡浪墙具有反向挑浪减小墙顶越浪作用,同时墙体承受的波浪力明显大于直立型挡浪墙,在最不利水位及波要素组合下,半圆弧挡浪墙面承受的波浪力增大幅度为30％,为减少墙顶越浪量,大型岸外沙洲围堤工程采用半圆弧型挡浪墙是较好选型.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2019(040)004【总页数】11页(P380-390)【关键词】挡浪墙;波压力分布;波浪力;数值模拟【作者】杨成刚;丁洁;郝嘉凌;邹恒【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200136;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;上海市政设计研究院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】U656.2江苏省海岸线长达954 km，沿中部地区独特的动力地貌蕴育了长约200 km、宽约90 km的辐射沙脊群，对其匡围类型有边滩垦区和岸外沙脊垦区。

岸外沙脊垦区匡围的技术较边滩匡围难度大。

由于新匡围区将建设成为重要港口工业集聚区、宜居沿海城镇区、富有特色的滩涂海滨旅游区，不仅有力地推动沿海经济的发展，还能增加就业与社会有效供给，以及改善生态环境，保障经济社会的可持续发展。

对此，新匡围区海堤工程结构的坚固与稳定尤为重要，需能确保新匡围区内免受风暴潮、风浪侵袭，其损毁将会造成巨大的经济损失[1]。

海堤堤顶设挡浪墙一方面抵御波浪，另一方面节约断面土石方量[2]。

对于挡浪墙结构承受的波浪力值，大多采用物理模型试验研究确定，近年来也有采用波浪数模进行研究。

广西水利水电GUANGXI WATER RESOURCES &HYDROPOWER ENGINEERING 2018（4）[收稿日期]2018-03-20[作者简介]任庆钰（1987-），男，贵州毕节人，贵州省水利水电勘测设计研究院工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计工作。

·试验研究·Fluent 软件具有20多年的发展历史，在航空航天、能源、汽车、化工、石油等领域得到了广泛的应用，是目前全球最高效、最精确和功能最强大的计算流体力学商用软件。

近年来，Fluent 软件在水利水电工程中的运用逐渐得到普及[1]。

本文基于Fluent 软件对某水库溢洪道进行三维水流数值模拟，并与物理模式试验结果进行对比，提出溢洪道三维水流数值模拟方法，该方法对于计算溢洪道沿程水面线、溢洪道泄流能力、动水压力及挑流长度效果较好。

1工程概况嘎醉河水库位于贵州省黔东南州凯里市舟溪镇东约1km 的鸭塘河上，距凯里市直线距离约11km ，距贵州省会贵阳公路里程约204km 。

工程建设的主要任务为城市供水，总库容1961万m 3，属Ⅲ等工程，水库为中型水库，年城镇供水量1720万m 3。

坝址正常蓄水位740.0m ，相应库容1961万m 3，面板堆石坝方案校核洪水位为742.74m （P =0.1%），总库容为1961万m 3。

取水隧洞设计引用流量0.68m 3/s 。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，该工程规模属中型，工程等别为III 等，永久性主要建筑物大坝为2级建筑物（坝高超过70m ），溢洪道、取水兼放空隧洞及泵站为3级建筑物。

2数学模型2.1控制方程[2]（1）连续性方程：∂U i∂X i=0（1）（2）动量方程：U i ∂t +U j ∂U i ∂X j =-1ρ∂P ∂X i +∂∂X j ()ν∂U i ∂X j-----u i u j +1ρF i （2）（3）k 方程：∂k ∂t +U j ∂k ∂X j =∂∂X j éëêùûú()ν+νt σk ⋅∂k ∂X j +G -ε（3）（4）ε方程：∂ε∂t +U j ∂ε∂X j =∂∂X j éëêùûú()ν+νt σε⋅∂ε∂X j +C 1εεk G -C 2εε2k（4）2.2计算方法及边界条件采用标准k —ε两方程紊流模型计算，在计算域中采用有限体积法进行控制方程的离散。

斜坡堤波浪爬高和越浪数值模拟
杨锦凌;孙大鹏;吴浩;李玉成
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2013(0)2
【摘要】基于FLUENT软件,采用k-ε湍流模型和VOF方法追踪自由表面,由连续性方程和动量方程推导出源函数,根据数值水槽各个区段的功能设置,借助其UDF 二次开发功能,实现无反射的源造波,在验证水槽两端消波有效性的基础上,数值模拟规则波在不可渗透斜坡堤上的波浪爬高和越浪。

通过与物模试验研究成果相对比,表明建立的数值水槽具有高效性和较高精度,可供实际工程参考应用。

【总页数】8页(P45-52)
【关键词】FLUENT;源造波;爬高;越浪;斜坡堤
【作者】杨锦凌;孙大鹏;吴浩;李玉成
【作者单位】海军工程设计研究局工程综合试验研究中心;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P75;TV139.2
【相关文献】
1.不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟 [J], 李东洋;张庆河;焦方骞
2.双峰谱波浪模拟及斜坡堤越浪特征 [J], 陈汉宝;管宁;戈龙仔
3.孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟 [J], 魏斐斐;熊芳杰;任兴月
4.基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究 [J], 李薪丰;张庆河;张金凤;刘光威
5.规则波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟 [J], 段岳;高华喜;孙宇飞;齐欣
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。