数值造波技术发展现状及展望(邓绍云水利论文)

1数值造波技术发展现状及展望邓绍云1，2，3（1.新疆应用职业技术学院新疆奎屯833200；2.兵团七师水利水电与建筑规划设计研究院新疆奎屯833200；3.新疆北礓建筑规划设计研究院新疆奎屯833200）摘要：本文对近三十年国内外数值造波技术与方法进行了一番回顾，对这种数值造波方法技术的优缺点进行了详尽评述，对各种数值造波方法的原理进行了阐述，理顺了数值造波的整个发展过程，对数值造波的现状进行了较为准确的分析。最后展望指出了数值造波的发展趋势和方向。关键词：数值模拟；造波技术；现状；展望CurrentSituationandProspectsofDevelopmentforNumericalwavetechnologyDENGShao-yun(1.XinjiangApplicaandVocationalandTechnicalCollegeXinjiangKuitun833200；2.)CorpssevendivisionWaterConservancyandHydropowerPlanningandDesignandArchitectureInstituteXinjiangKuitun833200；3.XinjiangNorthShajiangArchitecturalPlanningandDesignInstituteXinjiangKuitun833200）Abstract:Inthispaper,nearlythreedecadesabroadnumericalwavetechniquesandmethodsforalotofreviewoftheadvantagesanddisadvantagesofthismethodofnumericalwavetechnologyforadetailedcommentsontheprinciplesofvariousnumericalwavemethodsaredescribed,therationalenumericalwavealongtheentiredevelopmentprocess,thestatusofthenumericalwaveweremoreaccurateanalysis.Lookingpointedoutthevalueofthelastwaveoftrendsanddirections.Keywords:numericalsimulation;wavetechnology;currentsituation;prospects1.引言波浪在水利工程建设中，无论是内河还是在海洋中，这个力学因素是一般水利工程不可避免的水力因素。故波浪的模拟实验显得较为重要，无论是水利工程物理实验研究中还是在数值实验研究中不可回避的模拟内容。数值模拟实验较之物理模拟实验因其花费小、重复性强而备受欢迎。2.数值造波技术发展历程与现状如今，数值造波技术一般可以分为三种，第一种是在理想流体的假设下，基于势流理论来求解拉普拉斯方程的边界元造波方法；第二种是基于求解拈性不可压缩流体的NS方程的粘性数值造波方法；第三种，是既可以用于粘性流体也可以用于理想流体的源函数造波法。基金项目：新疆高职精品课程《工程测量》项目建设；南京水利科学研究院开放基金201101；新疆高职专业基础课程《建筑材料》教学改革项目201311。伊犁师范学院科研重点项目ZD200814.作者简介：邓绍云(1971-)，男，江西吉安人，博士，博士后，副教授，高级工程师；主要从事水利土木建筑与环境等方面的研究。电子信箱：[e-mail];[e-mail]；[e-mail]。2现实工程实际中，理想流体是不存在，故第二种方法数值造波法，即适用于求解粘性不可压缩流体的NS方程的粘性数值造波法显得较为实际和适用。在该粘性数值造波中，最为重要的是如何对自由面的形状和位置进行实时求解。这就应该用到一种名为自由表面追踪的方法。而自由表面追踪方法众多，较为典型的有MAC方法[1],VOF方法[2],和坐标变换方法[3]。Miyaca.H[3]采用有限差分法对粘性流体NS方程进行离散，结合MAC方法与K-ε湍流模型，建立二维数值波浪水槽，采用速度边界造波方法，生成短周期规则波，获得很大成功。Park.J.C等人[4]采用有限差分方法对粘性不可压缩流体的NS方程进行了离散，结合MAC方法，分别进行了三维数值水池中的规则波生成及其与圆柱的相互作用、三维数值水池中规则波与简单平台的相互作用以及多向不规则波生成等方面的模拟，但在模拟的过程中没有考虑到湍流模式，所以结果不是很成功。Kim.M.H[5]等人利用基于一种改进的MAC方法，在该改进的方法中考虑进了湍流模式，建立了一个粘性数值波浪水槽，可以较好地模拟流体与浮体之间的粘性相互作用。VOF方法（即自由表面追踪法）因其方法的直观性和科学性，得到了普遍的应用。文献[6]我国学者张健对VOF方法理论和应用进行了综述和评论，VOF方法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定追踪流体自由表面（两种不同流体之间的交界面），追踪流体的变化，来达到对流体自由表面的追踪目的。VOF方法简单而有效，扎实际工程中很好的计算结果。VOF方法能结合其他方法则对于数值造波方面来说，效果较好。沈云漫等人[7]采用有限体积法对不可压缩粘性流体NS方程进行离散，并结合VOF方法且采用K-ε湍流模型，构造二维数值水池，对不规则波与防波堤的相互作用进行了模拟,且模拟效果较好。FLUENT（计算流体力学模拟）软件在数值造波中也得到了很好的应用，我国科研人员极力向该方面努力并取得不小成绩，文献[8]报道哈尔滨工程大学严汝建等利用FLUENT软件采用结构化的动网格技术结合VOF方法与K-ε湍流模型，对深水池中规则波的生成与衰减规律以及不规则波的生成进行了数值模拟。数值造波过程中，规则波较为容易，但对于不规则波的数值模拟就相对较难，且对于水流表面有晃动、摇荡的情况下造波难度极大，如果将SIMPLE算法结合VOF方法同时利用K-ε湍流模型，对该情况的波浪数值构造具有很大的帮助。文献[9]报道郭晓宇针对波浪问题，基于该种办法，模拟出了。文献[10]报道大连理工大学齐鹏等采用有限差分法对粘性不可压缩流体NS方程进行离散，结合VOF方法与K-ε湍流模型，采用采用速度边界造波的方式，对三维数值波浪水池中斜向规则波的生成进行了较好地模拟。船舶航行时必然激起波浪，简称船行浪，船行浪的实验模拟方面，无论是物理实验模拟还是在数值实验模拟方面，中国船舶科学研究中心在该方面应该是处于领先地位，文献[11]报道吴乘胜等采用有限体积法对粘性不可压缩流体的NS方程进行离散，结合VOF方法与K-ε湍流模型建立了三维数值波浪水池，在所建立的数值水池中，采用速度边界造波的方法对规则波与不规则波进行了模拟，并对有船舶束缚下规则波前行（船行波）传播过程中的水动力进行了很合实际的计算；冯光等[12]采用与吴乘胜相似的控制方程及K-ε湍流模型，而将速度造波边界修改为基于等分能量法的多向不规则波的速度分布，实现了多向不规则波的生成模拟，其模拟的效果与物理实验模拟效果非常接近。在数值模拟求解粘性不可压缩流体NS方程，求解难度很大，为了降低求解难度，科研工作者将坐标变换方法被应用上。坐标变换方法是将流体在物理空间中的区域通过一定的坐标变换映射维为计算区域的固定坐标系中，从而降低了控制方程求解的难度，坐标变换方法众多，在具体应用上得灵活使用。3其中σ坐标变换方法应用较多也得到较好的效果，其中的有上海交通大学刘应中教授[12]利用该坐标变换法，建立了粘性数值水池模型，计算了多种波浪传播问题，取得较好的效果。科技人员Li.B[13]采用σ坐标变换方法结合多重网格技术在三维粘性数值水池中讨论了造波及波浪与简单结构物相互作用的问题。波浪理论是数值造波的基础，各种波浪数值模型都是在理想流体建设的势流理论基础上发展起来的，故，在带有自由表面及波浪条件的数值计算中势流理论与边界元方法处于主导地位。这基于这些理论基础上的数值造波技术，其造波边界条件都是采用由势流理论推导而来的波场速度解，而对于波浪传播过程应用求解粘性流体的控制方程。但当波浪与涉水建筑结构物相互作用过程而破碎，卷曲等，采用势流理论是办不到的。在人们不断努力的情况下，逐渐找到具有一定效果的方法，将边界元方法加以改进逐渐被引入数值造波技术中，Longuet-Higgins和Cokelet[14]在采用边界元进行数值造波工作方面取得开创性成果，首次提出混合欧拉——拉格朗日方法来求解全非线性自由面条件，从而做到了应用边界元法模拟一定时域内的非线性自由表面波浪。后来众多学者采用他们所创立混合欧拉——拉格朗日方法（MEL方法）结合边界元理论进行数值造波进行波浪模拟和波浪与涉水建筑物相互作用等问题。随着时间的推移，为能进行大型工程的数值模拟方面的研究，数值波浪水池的构建让众多工程数值模拟得到实现。科研工作者Grilli.S.T[15]应用BEM和MEL方法构建数值波浪水池，在自由面的步进格式、物理量及几何边界的离散方式、时间步长的选取、自由表面的重构方法、角点的处理及波浪传播等方面很有建树，特别是建立了较为精确适用于强非线性波浪的三维数值波浪水池模型解决了不少工程实际问题，在求解方面也大有改进，他采用了高阶的三维边界元法（BEM）和混合欧拉——拉格朗日条件技术（BEL），利用二阶显格式泰勒级数展开，采用自适应时间步长，进行自由面更新，模拟出了任意的非线性波浪，及非线性波浪从深水到浅水经历复杂地形的传播及翻卷过程，并成功模拟出三维孤立波从平底向斜坡传播过程，实现了孤立波爬坡、翻卷及破碎全过程。然而，这些方法虽然有效，但计算过程中耗时较长、速度较慢，未了提高计算效果、计算效率。从而科研工作者在继续Grilli.S.T方法的基础上，不断努力。在提高边界积分方程速度方面，Fochesato.C[16]提出了快速多级子法（FMA），该方法可使边界积分方程离散后矩阵的规模大大降低。边界元法不是数值造波的唯一方法，在不断改进发展边界元法的同时，科研工作者还另辟途径，扩充方法与技术应用于数值造波，通过其他数值方法来求解Laplace方程，Wu.G.X[17]和Turnbull.M.S[18]等人采用有限元法来求解它，Bingham.H.B[19]采用有限差分法进行计算；Dommermuth.D.G[20]等采用谱方法进行计算，计算效果较高且收敛速度较快，并结合MEL技术求解水流波浪问题，但其研究范围局限在周期性的情形。为消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遭遇到涉水建筑结构物后在入射边界形成的二次反射，这时，有科研人员想到了源造波法。宁德志[21]等基于时域高阶边界元法建立三维完全非线性数值波浪水槽模型，利用源造波法产生入射波浪，采用人工阻尼层技术消除波浪反射及二次反射，建立水槽格林函数并应用于整个计算域，消除水槽两侧壁和底面的积分，减少了计算量，分别计算规则波和不规则波的数值实验表明，计算结果与理论解吻合良好，且在出流边界和入射边界均无反射现象。源造波方法技术中又分有几种，Kim.G[22]采用的是求解区域内布置点源的方式；有采用的是不同类4型Boussinesq方程的源造波方法[23]，文献[24]有采用质量源造波方法的,有采用动量源造波方式结合雷诺时均方程与FLUENT软件相结合模拟。工程实际中，波浪生成最后还有削减甚至消亡的过程，在数值模拟中波浪生成后，能做到模拟削减和消亡的过程不容易。在数值造波消波技术方面，主要采用辐射条件实现法，人工衰减数值阻尼法,阻尼与辐射条件实现相结合法，主动吸收造波法等等。3.展望虽然在数值造波技术方面，人们取得了很大成绩，拥有了丰硕的成果，但离工程实际的需要还有很大差距，表现在现实工程中的波浪不会像数值模拟的波浪那样规则、均匀，而是富有变化的，在同一个波浪传播的过程中复杂多变，而我们在数值造波过程中不可能或者目前技术无法达到考虑众多的因