基于潛堤地形上的波浪傳播模擬

李海濤　唐嘯宇　李夢如　袁榮耀　徐樂然

摘 要：該文應用軟件為FLUENT流體分析軟件，控制方程為連續性方程和Navier-Stokes方程。應用GAMBIT建立數值波浪水槽模型并對其劃分網格。基于標準RNG 湍流模型和VOF自由液面捕捉方法，利用FLUENT的二次開發編寫源程序，賦予前邊界造波功能，形成與實驗造波原理一致的推波板數值造波法。建立潛堤地形下的波浪水槽模型，模擬潛堤地形下的波浪傳播，其結果與實驗值對比吻合良好，驗證該模擬方法在復雜地形情況下的可行性。

關鍵詞：Fluent 推波板 造波 潛堤

中圖分類號：TV13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0197-04

河口海岸附近區域具有豐富的資源、密集的人口、發達的經濟，且在此區域內航道的開發、港口的建設、海岸工程的防護對于沿海地區的發展起著重要的作用。準確計算堤前波要素成為港口、海岸和近海水工建筑物設計和規劃的前提。潛堤在保護海岸工程建筑物發揮巨大的作用。因此，該文基于FLUENT對波浪在潛堤上的傳播模擬做了一定研究。結果表明利用推板式造波法能夠模擬波浪在潛堤地形上的傳播，為進一步研究波浪爬高、波流相互作用積累了經驗。

1 研究背景及意義

河口海岸附近區域具有豐富的資源、密集的人口、發達的經濟，且在此區域內航道的開發、港口的建設、海岸工程的防護對于沿海地區的發展起著重要的作用。準確計算堤前波要素成為港口、海岸和近海水工建筑物設計和規劃的前提。

波浪在由深水向近岸傳播的過程中，由于水深的變化，近岸區域的邊界和建筑物等各種因素的作用，波浪會發生一系列的變化，例如有反射、繞射、折射、破碎等復雜多變的物理現象。解決這一問題的研究方法現在主要有三種方法，分別是理論研究、物理模型試驗以及數值模擬。理論分析對試驗和數值模擬具有相當重要的指導意義，但理論解通常是在簡化模型的基礎上求得，盡管對認識復雜問題的物理本質有著不可替代的作用，但是在解決實際工程問題中有局限性。

物理模型試驗是通過實驗波浪水槽，可以對波浪的產生、傳播以及衰減等特性進行詳細的實驗觀察，從而奠定了研究波浪理論的物理基礎。同時波浪水槽實驗也為海洋、海岸等工程設計提供了可靠以及有效的實驗數據。而且很多水動力學中的非線性問題常常可以在實驗水槽中觀測得到。正是由于波浪水槽實驗對于包括海浪在內的水波動力學研究具有如此重要的作用，各研究機構建造了波浪物理實驗模型，進行各種環境下波浪傳播變形的物理模型試驗。但是高昂的造價，固定的功能，復雜的觀察程序，以及相應的保養、維修等問題使物理模型試驗受到局限。

而與此同時，隨著計算機技術的快速發展，計算機數值模擬技術在各研究領域得到了廣泛的應用。從而對波浪數值模擬的發展提供了條件。

近30年來，近海水域波浪的數值求解主要有以下模型：一類是基于Boussinesq型方程的計算模型，它是直接描述海浪波動過程水質點運動的模型，可以較好地模擬非線性波浪傳播變形，但是求解難度大，僅適用于小范圍水域的波浪數值模擬。第二類是基于緩坡方程的計算模型，它基于包括波高和波長在內的波浪要素緩變的事實，描述的是波浪波高、波長、頻率等要素的變化，即著眼于波浪宏觀上的整體特征，而不涉及具體的水質點運動過程。緩坡方程模型是基于線性理論的模型，求解相對簡單，但難以描述波浪的非線性。

N-S方程是流體運動最基本的方程，應用面較廣，能夠適用于各種流體運動的研究。因此，采用以N-S方程為基礎的波浪計算模型能更準確地模擬波浪的傳播變形。

該文研究在潛堤地形中的波浪傳播變形模擬。造波方法為推板式造波法，實驗數據來源于大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的波浪水槽試驗。從而得出基于推板式造波法可以較為準確地模擬出波浪在潛堤地形上的傳播變形。

該文基于商用流體分析軟件FLUENT，采用兩種方法造波方法分別為推板式造波，選取RNG k-epsilon湍流模型，利用VOF法捕捉自由液面變化，運用FLUENT的UDF功能編寫程序載入FLUENT環境中，使水槽模型具有造波消波功能，模擬出各種工況的波浪水槽模型，并將模擬值與理論值進行比較。利用推板式造波法進行了潛堤地形上的波浪傳播模擬。

利用GAMBIT建模軟件并進行網格劃分。采用局部加密網格技術在自由液面處進行加密處理，這樣能更精確捕捉自由液面變化。在末端消波區網格進行稀疏處理能取得良好的消波效果。在FLUENT中設置合適的計算參數、初始條件、邊界條件，根據不同的造波原理，應用UDF宏，賦予數值波浪水槽以造波功能，設置適當位置的監測點形成后處理數據。

2 數值模型

該文潛堤水槽的實驗數據來源于大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的物理實驗[1]。如圖1，水槽長23 m、寬0.8 m、高0.8 m，水槽中設置一潛堤模擬海岸上沙壩。潛堤左右坡度均為1：10。潛堤頂長2.0 m，潛堤中心距水槽左端9.0 m。最大水深在堤兩段平地處為0.5 m，最淺處在堤頂為0.2 m。

基于FLUENT流體分析軟件[2]，建立與該實驗相同規格的數值波浪水槽模型[3-4]，利用與實驗法相同的推波板造波方法進行數值模擬[5]。造波板做簡諧運動產生波浪，分別在距水槽左邊界4.7 m、8.5 m、10.5 m、11.7 m、13.3 m、15 m處設置監測點，記錄波面變化數據。

3 結果分析

圖2（a）～（f）為對應4.7 m、8.5 m、10.5 m、11.7 m、13.3 m、15 m處模擬值與實驗值的對比（實線為模擬值，虛線為實驗值）。

圖2為潛堤工況在不同位置處波面數值解與實驗值比較。潛堤前，即4.7 m處，波峰變陡，波谷逐漸平坦，非線性較弱，計算結果與實驗值吻合，且受地形影響較小。潛堤上，即8.5 m，10.5 m，11.7 m處，受潛堤的影響，波峰不斷變高，波浪非線性增強，逐漸出現諧波，波面出現傾斜情況，計算結果與實驗值吻合良好。潛堤后，即13.3 m，15 m處，波浪傳播受潛堤影響最大，非線性作用達到頂峰，生成明顯的諧波，模擬值與實驗值吻合良好。由此可以得出，基于推板式造波法所生成的波浪在潛堤地形上的傳播變形具有較高的準確性。

3 結語

該文基于商用流體分析軟件FLUENT，以及大連理工大學實驗水槽數據。采用推板式造波法，選取RNG k-epsilon湍流模型，利用VOF法捕捉自由液面變化，運用FLUENT的UDF功能編寫程序載入FLUENT環境中，使水槽模型具有造波消波功能，進行了潛堤地形上的波浪傳播模擬。模擬結果與實驗結果吻合良好，驗證的該方法在潛堤地形上模擬波浪的可行性，可以為港口海洋工程方面研究提供數據支持。

參考文獻

[1] 鄒志利.高階Boussinesq水波方程數值模型及其與實驗結果的對比[D].大連理工大學，2002.

[2] Fluent Inc.，FLUENT User Defined Function Manual[Z].Fluent Inc，2003.

[3] 李勝忠.基于FLUENT的二維數值波浪水槽研究[D].哈爾濱工業大學，2006.

[4] R.I.Issa.Solution of the implicitly discredited fluid flow equations by operator-splirring[J].Comput.Phys，1986（62）：40-65.

[5] 寧德志，石進，滕斌.均勻流中雙頻波傳播特性的模擬研究[J].計算力學學報，2014（3）：402-407.