空間自適應的水波數(shù)值模型研究.pdf

1、水波動力學一直以來都是海岸及近海工程的重點研究對象?；诓豢蓧嚎s流體N-S方程的波浪數(shù)值水槽作為一種水波動力學的有效研究手段，它不僅能夠給出波面實時變化過程，還能提供整個水域完整的水動力場信息。開展有自由水面的不可壓流體運動控制方程數(shù)值求解方法的研究在理論上可以推動CFD向前發(fā)展，在實踐上也可為實際工程提供有效的研究手段。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴研究了CFD的最前沿技術(shù)成果，包括N-S方程自身的求解方法、自由水面追蹤方法以

2、及N-S方程求解中的邊界處理方法；在對比各類方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了研發(fā)全新計算流體力學模型的基本方案。
　　 ⑵通過采用投影法求解不可壓縮流體的N-S方程，采用一種無條件穩(wěn)定，且在時間和空間上都具有二階精度的MacCormack格式計算對流項，采用收斂速度較快的BI_CGSTAB算法求解壓力泊松方程，提出了一種求解效率高、穩(wěn)定好的CFD模型。
　　 ⑶在本文CFD模型中，引入FPLS(快速粒子level set)方法確

3、定水流自由表面位置，與其它自由表面追蹤技術(shù)相比，該方法不僅適合流體自由表面發(fā)生復雜拓撲形的情況，而且具有精度高、守恒性好、計算速度快等優(yōu)點。為了進一步減少計算量，選擇了只在水體一側(cè)求解水流運動控制方程的計算方案，而對自由界面上的壓力和速度條件分別采用虛擬壓力法和等值外插法來處理。對于建筑物、空氣和水體多相界面交匯的問題，則采用一種改進的多重level set方法進行處理。
　　 ⑷開發(fā)了一種自適應的樹型網(wǎng)格生成系統(tǒng)，能夠根據(jù)流場

4、中的流速梯度大小、自由表面和固壁邊界的位置實時進行網(wǎng)格分裂與合并，以保證重要區(qū)域具有較高網(wǎng)格分辨率，同時又無需大幅度增加內(nèi)存消耗和計算量。
　　 ⑸建立了全新的二維和三維的空間自適應波浪水槽。其中，二維水槽采用了源函數(shù)造波法，三維水槽則采用邊界造波法。模擬的微幅波、橢余波和斯托克斯波的波面形狀與解析解吻合良好。模擬的存在潛堤情況下的波浪變形及流場特性與實際是相符的；模擬的波浪作用下方柱所受的波浪力結(jié)果與海港水文規(guī)范(JTJ-21