0-1型BEM与VOF方法耦合模型的研究与应用 Research and application of wave model coupling by 0-1 type BEM and VOFmethod.pdfVIP

第33卷第1期 水道港 口 V01．33No．1 of andHarbor Feb．2012 2012年2月 Journal Waterway O一1型BEM与VOF方法耦合模型的研究与应用 郭立栋，孙大鹏 (大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连116024) 摘要：文章讨论了近年来出现的波浪耦合数值模型，并建立了一个前域采用考虑底摩阻的0-1型BEM 方法，后域采用VOF方法的双向耦合的波浪数值模型(O一1BEM+VOF模型)。应用模型计算了平缓岸坡 上规则波的传播与破碎，并通过与物模试验的结果进行对比，表明了0-1BEM+VOF波浪耦合数值模型可 以很好地模拟波浪的传播与强非线性变形．验证了该模型的有效性和准确性。 关键词：波浪耦合数值模型；底摩阻；0—1型BEM；VOF 242．1 文献标识码：A 文章编号：1005—8443(2012)叭一0001—07 中图分类号：TV139．2；0 近十几年来，采用波浪耦合模型的方式来解决波浪与结构物相互作用问题的研究已经成为波浪研究的 互作用。Binghma[z 匹配的方法计算船舶在静水中运动产生的波浪。国内齐鹏等[4。5]提出了后域用VOF方法求解N．s方程，前 基础上，所以它仅适用于浅水，并难以给出流体流动随深度变化的特征，而改进后的Boussinesq方程虽然可 以把应用范围扩展到较大水深，但方程本身却变得很复杂；而缓坡方程和线性源汇分布法是基于线性波浪 理论，不能考虑波浪的非线性，因此上述模型的应用都受到一定的限制。 等…建立了BEM和VOF方法耦合的数值波浪水槽，并用于计算在近岸区的波浪浅化和破碎。但该模型的 计算过程并不是同步进行的，而是通过前后接力的方式完成的，即在匹配边界上，先从BEM获得一个较长 的时间序列，然后再以此时间序列作为执行VOF方法的入射条件；此外，在匹配边界的信息传递上，只有从 域沿垂向划分为两层，上层为由Laplace方程控制的包含自由表面的流体部分，下层则由N—S方程控制，以 此来计算一个深潜于水中的水翼艇附近的粘性流动，由于波浪对结构物的作用主要体现在自由表面附近， 所以这种将计算域沿垂向分层的方法建立的耦合模型不适合求解波浪荷载问题。 综上所述，目前出现的耦合模型都有其局限性。因此，本文建立了一个前域用0—1型BEM方法[9]，后域 用VOF方法的波浪耦合数值模型。前域采用的BEM方法中考虑了底摩阻对波浪传播的影响，且BEM模型 E 7]的单向耦合 可以给出流体流动随深度变化的特征，并可以用于计算波浪的非线性；同时，不同于Guignard 收稿日期：2011-09—16；修回日期：2011-12—06 基金项目：国家自然科学基金；海岸和近海工程国家重点实验室基金(LP0804) 作者简介：郭立栋(1981一)，男，河北省衡水市人，博士研究生，研究方向为波浪与结构物的相互作用。 Biography：GUO student． Li-dong(1981一)，male，doctor 万方数据 2 水道 港 口 第33卷第1期 模型可以称之为双向耦合模型。另外，本模型也可以处理波浪荷载问题。通过与物理模型实验的结果进行对 比，以检验本文数值模型的适用性和准确性。 1耦合数值模型的基本方程 1．1耦合数值模型的建立 边界元方法是基于势流理论，具有计算量小、适合任意水深、边界条件易于处理、计算精度高等优点，但 是该方法只能描述波浪至破碎极点，因此在本文中被用于计算前域；而用于后域计算的VOF方法具有实时 捕捉流体自由表面的特点，可以描述波浪的强非线性问题