基于fluent的波浪數(shù)值仿真及其對出水物體的作用分析畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-15 14:12 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 夠準(zhǔn)確的體現(xiàn)在流場中。圖112 流線分布圖113 單一波峰流線分布圖112和113所顯示的是不同位置處的流線分布。圖112是經(jīng)過直線Y=5的所有流譜。圖113是單一波峰處的流譜。在波面運(yùn)動(dòng)的影響之下，波峰處形成速度渦。為了驗(yàn)證二階STOKES波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為類橢圓形狀，本文在(,)、(,)、(,)三個(gè)位置處設(shè)置初速度為零的示蹤粒子，跟蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖114所示。可以明顯看出，各粒子經(jīng)過相同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，軌跡為不封閉的類橢圓曲線。這主要是由二階STOKES波水平速度在進(jìn)行泰勒展開后出現(xiàn)常數(shù)項(xiàng)引起的。而不同位置注入示蹤粒子，其運(yùn)動(dòng)軌跡也不相同。初始位置水深越深，質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)速度就越小。這一結(jié)果同樣與理論分析保持了較高的一致性。從而得出本方案所模擬的二階STOKES波不僅在波形上符合理論，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所體現(xiàn)的漂移力也同樣與理論吻合。圖114 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖115 壓力分布圖 圖116 入口壓力分布曲線圖11116顯示的是全流場壓力分布圖和入口界面的處壓力分布曲線。在壓力分布圖中，壓力分層分布，相對于大氣壓強(qiáng)水底最高壓強(qiáng)層為48000pa。符合5米水深的壓強(qiáng)分布規(guī)律。二維區(qū)域50米水深波浪模擬分析本模型將在50米水深模擬二階STOKES波，并分析其波形、壓力分布、流線等流場特征。方案設(shè)計(jì)考慮所要模擬波浪的波形參數(shù)，建立40m60m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9米，水深為50米。模型的網(wǎng)格劃分 圖21 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖 圖22計(jì)算區(qū)域局部網(wǎng)格放大圖 ， ?？偩W(wǎng)格數(shù)量是30000。模型的邊界條件及參數(shù)設(shè)置圖23 計(jì)算區(qū)域局邊界條件設(shè)置圖將左側(cè)邊界設(shè)置為速度入口，右側(cè)邊界設(shè)置為自由出流邊界。由于計(jì)算域上部的氣流運(yùn)動(dòng)對造波過程的影響較小，所以可以將上邊界設(shè)置為壁面。表21 流場計(jì)算物性參數(shù)表水密度rkg/m3水動(dòng)力粘度mkg/ms空氣密度rkg/m3空氣動(dòng)力粘度mkg/ms數(shù)值波浪模擬結(jié)果及分析圖24是33秒時(shí)刻的相圖，在此時(shí)刻，波形充分發(fā)展。整個(gè)計(jì)算區(qū)域較大，所以該圖上的波形并不明顯。但從圖25中可以看出，數(shù)值波浪與理論波形匹配效果較好。由于計(jì)算區(qū)域的加大，波浪在傳播過程中，伴有明顯的衰減。前兩個(gè)波長中，波形理想，隨后波高迅速降低。，這符合40米區(qū)域、9米波長理論上所應(yīng)存在的波浪數(shù)目。圖24 33秒時(shí)刻波形圖圖25 33秒時(shí)刻數(shù)值、理論波形曲線在本模型中，水深大幅增加，在圖25中的波形匹配依然較好。證明在水深增加的情況下，本文所用的造波方法同樣可以得到高品質(zhì)的波浪。從圖26和圖27中，可以看出，雖然水深大幅增加，但有效造波速度依然處于自由表面位置處。在形成波形的的區(qū)域帶中，速度明顯增大，在水深44米以下的部分，速度基本為零。當(dāng)然，在大區(qū)域計(jì)算域中，耗散與衰減將會(huì)變得明顯，但對于波浪的生成影響不大。 (a) (b)圖26水平方向理論、模擬速度分布 (a) (b)圖27 垂直方向理論、模擬速度分布 (a) (b)圖29 壓力分布圖和入口壓力分布曲線 (a) (b) 圖210 水平和處置方向速度分布50米水深的二階STOKES波模擬過程與5米水深的情況相比，波形同樣與理論較為吻合。造波邊界所產(chǎn)生的入射流體速度并沒有因?yàn)樗畹脑黾佣a(chǎn)生數(shù)值上的較大變化。其速度有效區(qū)域相應(yīng)提高，始終保持在自由表面位置處，在波幅寬度的帶狀區(qū)域內(nèi)作周期性變化。在圖210中，可以看到，波面處的速度無論方向如何，其絕對值在流場中較大，為明顯的高速區(qū)。三維區(qū)域5米水深波浪模擬分析通過以上二維區(qū)域的二階STOKES波的模擬，可以驗(yàn)證本文所提出的造波方法是可行的。數(shù)值波浪無論從波形上還是內(nèi)部流場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面來看，都使與理論分析相一致的。因此，在二維基礎(chǔ)之上，本文將二階STOKES波的模擬拓展到三維區(qū)域。在三維區(qū)域內(nèi)模擬二階SOKES波具有重要意義，因?yàn)閱渭兊牟ɡ四M其應(yīng)用價(jià)值較小，只有將運(yùn)載器或海工建筑的受力與波浪力進(jìn)行耦合計(jì)算，才對生產(chǎn)實(shí)踐產(chǎn)生指導(dǎo)意義。方案設(shè)計(jì)建立50m10m10m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：，波長12米，水深為5米。模型的網(wǎng)格劃分圖31 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖在此模型中仍然采用結(jié)構(gòu)化的正方體網(wǎng)格。 ， ?？偩W(wǎng)格數(shù)量是183804。將計(jì)算域擴(kuò)展到三維區(qū)域，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量大幅增加，所以對于計(jì)算機(jī)的要求也相應(yīng)提高。如果對波形品質(zhì)要求較高，還需要在波面區(qū)域加密網(wǎng)格。模型的邊界條件及參數(shù)圖32 計(jì)算區(qū)域初始相圖三
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