线性波和波浪-结构物相互作用的数值模拟外文翻译资料

 2022-09-04 20:09:36

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线性波和波浪-结构物相互作用的数值模拟

摘要

波浪能量转换器(WEC)的一个主要设计阶段是对给定转换器进行数值模拟。为了给该阶段的设计提供帮助，本文基于计算流体动力学(CFD)方法对深水中和有限水深中线性波的数值模拟进行了探索。本文中描述的CFD软件包是基于有限体积法的商用计算软件ANSYS CFX(版本12.1)。对模型参数进行了详细的研究，根据研究结果对CFD模型进行了优化，并给出了针对特定波浪进行水动力建模的指引。对数学模型进行了以下两方面的验证：(一)数值模拟结果与造波理论(WMT)计算结果进行比较。(二)波面升高和水粒子速度与线性的艾里深水波理论结果进行比较。研究中发现，当波数k0h值较小时，ANSYS CFX使用摇板造波理论存在局限性。为了克服这一限制，需要提高造波板的铰链，这种改变使得深水线性波的生成变得可能。采用以上方法，对客观存在的波浪-结构物相互作用问题进行了研究。

引言

任何固定或浮动的结构物设计中，为了了解所涉及的流体/结构相互作用，进行模型测试是至关重要的。实验室实验需要在波浪水槽或波浪水池中进行，并紧接着进行真实海洋条件下的规模测试。然而，计算流体动力学(CFD)软件的发展，使进行经济和相对快速的初步研究的成为可能。即若使用的数值模型是真实生活环境的一个代表。

用来模拟波浪水槽的数值模型被称为数字波浪水槽(NWT)。NWT使用各种数字技术的开发，包括边界体积法(BEM)、有限元法(FEM)和有限差分法。NWT中，波产生于输入界值，阻尼于输出界值。

Kim等人(2001)和Park等人(2004) 使用有限差分法数值模拟了三维非线性多向波。通过指定在造波器界值的水粒子速度，用数字造波器来产生波。Koo和Kim（2004）将流体-结构相互作用的这一研究进行扩充，以探究非线性波在二维情况下对自由浮体的作用。Sun和Faltinsen（2006）采用边界元方法开发了一个二维数字水槽来模拟水平圆柱体在自由表面上的影响。Ning和Teng（2007）采用了三维高阶边界元模型来模拟完全非线性不规则的波浪水槽。Ning等（2008）针对非线性规律而聚焦的波在无限水深扩展了这项研究。另外，Yan和Liu（2011）使用高阶边界元法（HOBEM）开发出了三维数值波浪水池，来模拟非线性波波和波体相互作用。球体内部的流体运动是它们探索波体相互作用的一个例子。

Wu和Hu（2004）采用了有限元法，用带造波器的数字水槽模拟水波和浮动圆柱体之间的非线性相互作用。Hadzic等（2005）中使用商业CFD软件包创建了平面NWT，来探究具有高达6个自由度的浮动刚体的运动，因其接受了大的振幅波。Turnbull等（2003）研究了非粘性流的引力波在2-DFEM数字波浪水槽中，对水下固定的水平圆柱的作用。Agamloh等（2008）利用商业CFD软件包开发了三维数值波箱，这使水波和圆柱形的海浪能装置的流体结构的相互作用得以被探索，他们对单台设备和一系列设备的响应均进行了调查。Sriram等（2006年）使用活塞式的造波器产生二维非线性的波使用FEM。Sriram 等人 (2006)用三次样条有限元方法逼近discretising域时，充分反映出墙的边界。 Contento (2000)使用一个二维数值波浪水槽，基于本技术，模拟任意形状的船体的非线性运动来发展改进的耐波性技术。Mousaviraad 等。 (2010)开发谐波组单耐波性运行程序，通过 使用通用非定常雷诺平均解算器来解决。线性潜在的解决方案是在输入指定边界以生成线性输入波。Liang 等。 (2010)还探讨了使用有限元法采用活塞式造波机生成一个不规则的波列。在2008年，Lal和Elangovan (2008)探讨了CFD模拟的线性水波摇板式造波使用相同的有限体积包。本文中描述了相同的有限体积包，然而，模型的维数作为一个实验性的波箱和模拟只有浅水的情况下进行。

在这篇文章里，ef ficient NWT 模型通过改变它的外形尺寸，如图中所示尤其总高度，基础长度和网眼安装被改变获得有效的模型。这些维度是依赖于所需的深水波的时期。模型与实验波浪槽以相同方式工作，见于图1。该分析采用的CFD 软件包是ANSYS CFX(ANSYS股份有限公司，2009)。 它使用一个有限体积方法来解决雷诺平均Navier-Strokes方程(RANSE)，它代表了动荡和粘性。当分析扩展到流体-结构相互作用， 使用ANSYS机械连同运动解算器。

在这篇文章中，二维CFD模型验证在深水波使用造波理论(wal - mart)。wal - mart的实验验证是通过Ursell等(1960)使用一个实验性的波箱。此外， CFD模型决定的水的粒子速度对比于(LWT)理论。因此，波产生通过模型对LWT和WMT 比较验证。因此，本文的主要目的是提供一个设计指南CFD模型，可以准确地建造线性深水波和线性有限深度水波。此外，本文中概述的模式将代表一个优化波箱模型，其外形尺寸依赖于所需的海浪周期。为了实现这个模型，进行大量的融合试验。最后，应用程序的的方法派生出真实世界的案例研究。这是一个线性深水波和浮动之间截断垂直油缸相互作用的分析。

方法

在本文中创建的CFD模型类似于设置的一个实验性的波浪水池。然而，模型尺寸要重新计算，以优化模型依赖的周期所需的波浪。一张定尺寸的插图如图1所示。

图 1 模型的外形尺寸

图中：d是静止水平面(SWL)的高度，S是造波的行程长度，H是生成波的高度。 而且，因为被产生的波将被与LWT进行比较，建立的波被假设为具有与他们的长度有关的小幅度。小的幅度波通过陡度关系来定义(Ursell et al,1960)，这里L0是波长。当资源最少时，波浪能量转换器(WEC)对小振幅波的反应的性能需要优化。换句话说，WEC应该调整预期的占主导地位的小振幅波的性质。

CFD模型的建立分为三个阶段：

(1)几何图形设置，它定义了物理维度模型

(2)网格设置，创建一个网格和精制的还是水位(SWL)准确捕获自由表面

(3)波或物理设置，定义分析类型的域设置，造波的运动，最初的高度和其他特征的水和空气的相互作用。

在定义的域设置，包括大量的假设。空气界面的表面张力被认为是微不足道的。指定的空气的温度25℃，因此，指定它的密度为1.185千克/立方米。此外，指定一个等温传热模型，均匀。液体(水)的温度被定义为25℃并给出它的密度1030 kg / m3代表盐水。

模型的顶部有一个开放边界条件，它允许空气通过。在造波边界是一指定位移的墙，这是使用ANSYS只输入表达式语言 (ANSYS – Inc,2009)。有对称边界条件指定的邻边，为了创建一个模型，是无限宽，和其余边界被分配一个静态墙边界条件。

2.1 控制方程

基于ANSYS CFX解算器的方法是有限体积法 (ANSYS-Inc,2009)。这种技术将兴趣区域划分为次区域和使迭代控制方程离散化来在每一个分区解决这些问题。因此，每个变量的近似值的点分布在整个域。方程为

其中t是时间，x是造波的水平距离，y是SWL和随深度的垂直高度，u1水平流速，u2是垂直流速F1是流体上的水平力，F2是流体垂直力，p是压力m是粘度。

为了确定自由表面的位置，空气-水边界，应用流体的体积的方法。这技术也被应用在 Liang 等(2010)。这种方法增加了另一个控制方程

是体积分数

2.2 模型长度和高度的优化

模型的高度是由许多因素决定的：静水水平，海浪的最大高度和响应振幅和高度的装置。因此，采用深水波浪理论被用于设计水槽，水箱的高度姑计4/3倍静水水平，因为这将离开足够的房间顶部(开槽的边界)设备由于入射波的振荡。因为它是一个数值模型中，波槽的几何结构.

很容易改变。由于这一点，可以根据波的周期优化其几何结构。生成的海浪几乎是线性的，线性(通风)波浪理论可以用于预测的水深的最小值，如下(Coastal Engineering Research Centre,1977)

静水深的最小值d 和波周期T之间的关系，如图示2

图 2 周期T和静水深最小值d的关系图

模型是长度由SWL决定，海滩的斜率和WEC的大小设备需要被调查。迪恩和Dalrymple(1984)表明，二维的速度势造波分为两个部分，第一个是行波第二驻波，从造波中衰减。它也表明，距离后三次SWL，或3 d，远离造波的距离时驻波的部分是可以忽略不计的。因此，从这个距离开始只有前进波因此，在水槽中设备的最佳放置就是这个距离。

2.3 模型网格的优化

优化网格大小很重要，因为这将减少计算工作量。这对3D模型槽尤为重要。必须重点关注波的敏感性高于网格细化。因此，它是至关重要的优化啮合的方法，应该依赖于高度和波的周期。

在表1和图3，大量网格技术进行对比来确定哪些方法能提供最优网， 用于比较的被产生波有的一段时期是1.35 s，符合 有限深度理论，正如作为1.5米。 一个1:5的海滩斜率被应用。 比较中使用的变量有：(1)网格相关性，它定义了整体网，细度(2)最大的网格元素的大小和(3)的半径的影响范围及其使用元素的大小。使用的势力范围技术是为了执行沿着SWL网格细化，在造波和海滩的开始之间。

表1网格参数摘要

图3 波升高比较

从图3，很明显，最有效的网格是在模型WT2，包含4830个元素，因为它提供了一个波与从模型WT4获得的包含6440个元素网格无明显差别。因此，优化网格模型利用最大元素的大小和影响范围的技术。

图4 油箱模型网格划分

2.4 时间步长和计算总时间

时间步长间隔和总时间都是依赖于波的周期。三次设备放置在静水水平，3 d所感兴趣的波在这个位置上。 从图 5，很清楚各种各样的时期的波在6 个循环之后在这个位置上发展完全。 因此，因此，总时间等于十次波的周期足以让数学模型产生的波浪与LWT 和WMT预测的进行对比，由于波在最后4 个循环期间建立兴趣的，即 完全发展的波。

此外，进行参数研究来确定最优集成时间步长间隔。准确的速度是仿真结果的一个主要需求，有必要使用一个相对较小的集成时间步长间隔。这个参数研究的结果是图6所示，显然，通过除以波的周期为50间隔(T / 50)找到最优时间。该结果与 Ning and Teng (2007)中的结果相近，表示波的周期除以最大时间步长间隔40(T / 40) 。

图5 波循环后波幅

图6 时间步长对波高的影响

结果

3.1 岸滩斜坡研究

在最后的海浪模型中多种技术在研究中已经被排除。Ning和Deng(2007)以及Ning等等(2008)使用一个人工沙滩以及自由表面边界模型。梁等(2010) 通过添加术语引入耗散区动量方程以消除反射波。在这项研究中，一个倾斜的海滩是用来抑制海浪，所使用的技术也应用在拉尔和Elangovan(2008)。

在各种模型中提供阻尼波的最优海滩坡度被探索于各种斜坡中。网格敏感性，2.2节中所讨论的，在海滩附近作为一个优势，作为粗网格将产生波的衰减效应。这项技术也被Park等(1999)和 Park等(2004)使用网格沿着耗散区水平变得粗糙。

调查了模型与海滩斜坡从1:3 到 1:6，测量对于距离海滩末端1.5米的各种海滩坡度的瞬时波高度绘制在图7中。距离为1.5米的海滩附近被选中，因为它是一个监视点的海滩，这是由于波打破而没有没有非线性的存在。发现最优沙滩斜率是1:5，随着不同程度的衰减斜率为1:6相比可以忽略不计。这个结果与Lal and Elangovan (2008)的结果有冲突，其结果为一个最佳的海滩的斜率1:3。在图7中，可以看出包含一个海滩坡度1:3的模型诱发斜坡的最小阻尼。

比较完全成形的行波的波仰角和消散波附近的海滩，图8所示。很明显看到阻尼波发生的倾斜的海滩。生成的波在这项研究中的应用是一样的一个用于2.2节和采用最优网格方法。

图7 海滩模型1:3最小阻尼

图8 离造波边界5m和离尾部1.5m的波

3.2基于LWT理论的CFD波浪验证

所需的验证方法的分析是至关重要的一步。，第一个验证是比较基于SWL和模型生成的水粒子速度。使用下列方程组(Coastal Engineering Research Centre， 1977)：

v是水粒子速度，A是波振幅，omega;是角频率，的波数是深水情况下，y从SWL深度增加，eta;LWT是轻型波的波仰角和0是初始相位角，依赖于初始造波和文件中造波的距离。

图9（a）显示生成的CFD深水波的波仰角一旦成熟与CFT生成的仰波角相同。图9(b)比较CFD的标量波的水粒子速度，这是根据LWT的标量水粒子速度和标记速度，而且非常一致。此外，水粒子速度的水平分量，这是贴上HOr标签速度，粒子速度和垂直分量的水，绿色的标签。CFD波的速度，显示在图9(b)。这些向量结合创建标量波粒子速度。同样，这些对生成的深水波的比较和结论如图10所示。

图 9 (a)波升高的比较 (b)深水波速比较

图10 (a)波升高比较 (b) 深水波速比较

图11 CFD 结果与造波理论的比较

图12 CFD 结果与造波理论的比较

3.3 基于WMT理论的CF

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