基于fluent的波浪數(shù)值仿真及其對(duì)出水物體的作用分析畢業(yè)論文(已修改)
2025-06-30 14:12 本頁(yè)面
【正文】 基于FLUENT的波浪數(shù)值仿真及其對(duì)出水物體的作用研究一、課題研究目的物體出水運(yùn)動(dòng)是一個(gè)涉及氣液兩相問(wèn)題的三維非定常過(guò)程。在這一過(guò)程中，物體的邊界條件發(fā)生劇烈變化，同時(shí)波浪的存在，對(duì)物體邊界流場(chǎng)的壓力、流線分布也起到十分重要的影響。因此，分析波浪力對(duì)于研究水面運(yùn)動(dòng)體和出水物體所受應(yīng)力十分關(guān)鍵。目前解決該問(wèn)題的研究手段主要有物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬等。物理模型實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)在波浪水槽中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究波浪，采用PIV實(shí)驗(yàn)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行跟蹤；數(shù)值模擬則是通過(guò)建立數(shù)值模型，通過(guò)GAMBIT、FLUENT等CFD軟件來(lái)進(jìn)行離散計(jì)算。數(shù)值模擬可以節(jié)約人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，而且數(shù)值模擬可重復(fù)性好，條件易于控制，比實(shí)驗(yàn)更靈活，此外在海洋結(jié)構(gòu)物的分析和設(shè)計(jì)中，一般來(lái)說(shuō)，解析解只適用與簡(jiǎn)單幾何形狀或線性波浪問(wèn)題，因而數(shù)值解法更有普遍意義。如果能夠?qū)Ω唠A非線性波進(jìn)行計(jì)算模擬，那么就可以用數(shù)值波浪水槽模擬各種條件下、特別是極端波況下的波浪運(yùn)動(dòng)特性。所以此項(xiàng)目將采取以數(shù)值計(jì)算為主，微型實(shí)驗(yàn)為輔助的方式開展。項(xiàng)目分析結(jié)果將對(duì)解決水下導(dǎo)彈發(fā)射等實(shí)際工程問(wèn)題起到參考借鑒作用。二、課題背景,數(shù)值模擬不僅成本低,可以避免比尺效應(yīng),[1],其實(shí)質(zhì)是構(gòu)建一個(gè)數(shù)值模擬平臺(tái),在該平臺(tái)上賦予通常實(shí)驗(yàn)室中的波浪水池所具有的功能.,例如,邊界元方法在處理復(fù)雜自由水面時(shí)難免失效.自Harlow等提出MAC方法和Hirt等提出VOF方法以來(lái),日本一研究小組推出了一個(gè)二維的CADMASSURF系統(tǒng),. Wang和Su應(yīng)用改進(jìn)的VOF方法進(jìn)行了圓柱容器內(nèi)液體晃動(dòng)問(wèn)題的三維數(shù)模在海洋工程問(wèn)題中，波浪力是作用在工程結(jié)構(gòu)上的最主要的外力之一。為合理地設(shè)計(jì)處于波浪環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物，保證其安全、有效地運(yùn)行，需要正確預(yù)報(bào)其波浪荷載。另一方面，水下打撈和導(dǎo)彈水下發(fā)射等一系列軍民項(xiàng)目工程也都受到波浪力的影響。因此，建立波浪的三維數(shù)值模型分析計(jì)算便具有了很重要的意義對(duì)于波浪與物體的相互作用，人們已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。目前，線性水動(dòng)力理論已相當(dāng)成熟，并以其簡(jiǎn)單、實(shí)用而為工程界采用。然而，波浪與物體相互作用的本質(zhì)是時(shí)域上的非線性問(wèn)題，實(shí)際波浪和物體的運(yùn)動(dòng)也是非線性的。線性理論忽略了實(shí)際波浪問(wèn)題的一些重要的特征，使得很多現(xiàn)象無(wú)法解釋。許多海洋工程事故的發(fā)生都與非線性因素有關(guān)，結(jié)構(gòu)物的破壞往往發(fā)生在連續(xù)幾個(gè)大波的極端狀況下。工程實(shí)踐促使人們將研究的注意力集中到波浪與物體相互作用的非線性特性上。 本課題便基于CFD技術(shù)的相關(guān)理論，建立存在海風(fēng)、海流等外界因素下的波浪流體數(shù)值模型，為其他工程提供參考三、課題研究主要內(nèi)容緒論：課題的研究背景及意義、國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀綜述、課題的主要研究?jī)?nèi)容；數(shù)值模擬方法：求解器、差分格式、湍流模型、VOF模型、UDF 模型、波浪流動(dòng)特點(diǎn)等介紹；不同波長(zhǎng)、波速、水深條件下二維非線性波數(shù)值模擬及分析，對(duì)波浪的特點(diǎn)及不同波浪參數(shù)對(duì)波浪品質(zhì)的影響進(jìn)行探討；三維非線性的數(shù)值模擬及對(duì)運(yùn)載器出水姿態(tài)的影響研究；四、結(jié)論（成果介紹）波浪的數(shù)值模擬過(guò)程包括了對(duì)造波邊界的設(shè)置、VOF模型的應(yīng)用以及數(shù)值計(jì)算過(guò)程中時(shí)間步控制等諸多問(wèn)題。一方面在模擬過(guò)程中要保證數(shù)值波浪的品質(zhì)，從而在充分發(fā)展的波浪計(jì)算域中能夠正確分析其對(duì)運(yùn)載器的影響。另一方面計(jì)算網(wǎng)格又不能過(guò)多，否則對(duì)于現(xiàn)行計(jì)算來(lái)說(shuō)，計(jì)算工作量將是巨大的，時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)。本文所模擬的波浪是二階STOKES波，主要是因?yàn)槎ASTOKES波比線性波的精度更高、存在質(zhì)點(diǎn)漂移現(xiàn)象，與實(shí)際海浪更為接近。本章將通過(guò)設(shè)置速度入口的方式進(jìn)行造波，并驗(yàn)證方法的可行性。在二維計(jì)算模型中，將在水深分別為5米和50米的兩種工況下對(duì)波長(zhǎng)9米、波高1米、。分析水深對(duì)波浪生成的影響。其中，主要通過(guò)5米水深方案來(lái)分析數(shù)值波浪的波形參數(shù)、壓力分布、速度分布以及波浪衰減。在二維波浪的基礎(chǔ)之上，本文將在三維區(qū)域探討二階STOKES波的數(shù)值模擬方法及其可行性。其中應(yīng)用的邊界條件有：速度入口、自由出流、壁面以及對(duì)稱邊界。 度入口邊界條件：用于定義流動(dòng)速度和流動(dòng)入口的流動(dòng)屬性相關(guān)的標(biāo)量。這一邊界條件適用于不可壓縮流，如果用于可壓縮流會(huì)導(dǎo)致非物理結(jié)果，這是因?yàn)樗试S駐點(diǎn)條件浮動(dòng)。自由出流邊界條件：該邊界條件用于模擬前無(wú)法知道出口速度或者壓力的情況。出口流動(dòng)符合完全發(fā)展條件，出口處，除了壓力之外，其他參量梯度為0。壁面邊界條件：對(duì)于粘性流動(dòng)問(wèn)題，F(xiàn)LUENT默認(rèn)的設(shè)置是壁面無(wú)滑移條件但也可指定壁面切向速度分量，給出壁面切應(yīng)力，從而模擬壁面滑移。對(duì)稱邊界條件：對(duì)稱邊界條件應(yīng)用于計(jì)算的物理區(qū)域是對(duì)稱的情況。在對(duì)稱軸或者對(duì)稱平面上，沒有對(duì)流通量，因此垂直于對(duì)稱軸或者對(duì)稱平面的速度分量為0。在對(duì)稱軸和對(duì)稱平面上，沒有擴(kuò)散通量，即垂直方向上的速度為0。二維區(qū)域5米水深波浪模擬分析在二維區(qū)域、5米水深的條件下進(jìn)行二階STOKES波的數(shù)值模擬。模擬過(guò)程中要考慮重力的影響，同時(shí)考慮了流體的粘性，所以數(shù)值波浪在傳播過(guò)程中將會(huì)逐漸衰減。在該方案中，將著重分析數(shù)值波形與理論波形的匹配、參數(shù)變化、流場(chǎng)情況以及質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡等。方案設(shè)計(jì)考慮所要模擬波浪的波形參數(shù)，建立20m10m的二維計(jì)算區(qū)域。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分。所模擬的二維波浪參數(shù)為：波高1米，波長(zhǎng)9米，水深為5米。模型的網(wǎng)格劃分在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，本模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 。對(duì)于規(guī)則區(qū)域結(jié)構(gòu)化
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