基于FLUENT的海洋畸形波數(shù)值模擬研究

黃友龍　胡金鵬　劉師輝

摘要：近年來(lái)，由畸形波引起的海上船只遇難事件相繼被報(bào)道，其越來(lái)越引起人們的關(guān)注，已成為船舶與海洋工程領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。借助高效的相位調(diào)制畸形波模擬方法，基于FLUENT強(qiáng)大的建模功能和二次開(kāi)發(fā)功能，建立可定時(shí)定點(diǎn)再現(xiàn)海洋實(shí)測(cè)畸形波現(xiàn)象的波浪數(shù)值水槽，通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析和頻域譜分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果不僅在波浪歷時(shí)上能夠很好地吻合目標(biāo)波列，而且計(jì)算波浪譜也保持了目標(biāo)譜的真實(shí)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了該畸形波數(shù)值水槽的有效性，為進(jìn)一步研究畸形波與海上結(jié)構(gòu)物之間的相互作用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：畸形波；數(shù)值模擬；波浪譜；相位調(diào)制

1.前言

畸形波是一種波高極大，出現(xiàn)和消失都很突然的強(qiáng)非線(xiàn)性波浪。1965年，Draper首次提出了“畸形波”概念，之后隨著海洋工程技術(shù)的不斷發(fā)展和由畸形波引起的海上船只遇難和工程事故相繼被報(bào)道，這種破環(huán)力巨大的強(qiáng)非線(xiàn)性波浪越來(lái)越得到重視。

對(duì)于畸形波的模擬可分為物理模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬，由于物理模型實(shí)驗(yàn)存在容易受場(chǎng)地限制、經(jīng)費(fèi)限制、比尺效應(yīng)等缺點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)室研究中畸形波的生成技術(shù)還不夠成熟，所以隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬得到了越來(lái)越多專(zhuān)家學(xué)者的青睞。目前，對(duì)畸形波的數(shù)值模擬方法可分為線(xiàn)性方法和非線(xiàn)性方法：在線(xiàn)性理論方面，海浪可以看作是由大量的具有不同周期和不同隨機(jī)初相位的余弦波疊加而成，大量的具有合適相位的余弦波的局部疊加可以產(chǎn)生極端大波；非線(xiàn)性方面的數(shù)值模擬主要通過(guò)淺水KdV方程、Kp方程，深水非線(xiàn)性薛定愕方程以及完全非線(xiàn)性方程等演化方程來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于非線(xiàn)性方法計(jì)算量大，不易工程應(yīng)用，且很難應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室模擬造波，而基于LonguetHiggins模型的線(xiàn)性疊加方法能夠定時(shí)定點(diǎn)的生成滿(mǎn)足畸形波定義的極端大波，所以成為在實(shí)驗(yàn)室水槽和數(shù)值水槽中模擬畸形波的常用手段。

Kribel提出了雙波列疊加模型，即假設(shè)畸形波波列由隨機(jī)波列和瞬態(tài)波列兩部分組成，將能量分為兩部分，一部分用于產(chǎn)生隨機(jī)波列，另一部分用于產(chǎn)生瞬態(tài)波列；國(guó)內(nèi)裴玉國(guó)對(duì)雙波列疊加模型的能量配比關(guān)系進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步將瞬態(tài)波列分解為兩個(gè)瞬態(tài)波列，即首先令兩個(gè)瞬態(tài)波列的聚焦時(shí)刻和空間一致，然后再和隨機(jī)波列疊加來(lái)模擬包含畸形波的波浪序列，稱(chēng)之為“三波列疊加模型”；趙西增則通過(guò)調(diào)制聚焦理論來(lái)模擬生成畸形波，包括相位角分布范圍調(diào)制聚焦模型和部分組成波聚焦模型兩種；劉贊強(qiáng)等總結(jié)并分析了上述模型，指出無(wú)論是隨機(jī)波加瞬態(tài)波模型還是調(diào)制聚焦模型都存在缺點(diǎn)和不足，最后提出了一種模擬畸形波的相位調(diào)制新方法，該方法能更精確、更高效地模擬生成畸形波。因此本文將借助劉贊強(qiáng)等的這種新的理論模型，并基于FLUENT軟件的二次開(kāi)發(fā)，建立數(shù)值波浪水槽，通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)畸形波。