摘 要

本文基于STAR CCM 平台，采用“水体瞬间坍塌”的方法，进行了二维孤立波数值造波的尝试。利用RANS方法，结合k-ε湍流模型，采用VOF方法跟踪波面建立了二维孤立波数值模型，并进行了不同初始水柱高度、不同水深的孤立波流场的数值计算，根据计算结果讨论分析了水柱高度 b，水槽水深 h和孤立波高的关系。计算结果表明：水柱高度 b与孤立波高的关系基本呈线性上升；水柱高度 b上升至一定高度，引起波陡增加，会发生孤立波破碎现象；孤立波高随着水槽深度增加基本呈线性下降的趋势。

关键词：孤立波；数值造波；“水体瞬间坍塌”；k-ε湍流模型；VOF

Abstract

In this paper, based on the STAR CCM platform, a two-dimensional solitary wave numerical wave-making experiment is carried out using the method of "instant collapse of water body", a two-dimensional solitary wave digital model is established, and a numerical calculation model is established using the RANS method combined with the k-ε turbulence model. use VOF method to track free water surface.The thesis mainly studies the relationship between the height of water column, the depth of water tank and the height of solitary wave.The results show that the relationship between the height of the water column and the height of the solitary wave rises linearly; the height of the water column rises to a certain height, causing the increase of the wave steepness, and the phenomenon of solitary wave breaking will occur; the height of the solitary wave basically decreases linearly with the increase of the sink depth.

Key Words：Solitary wave; numerical wave generation; "instant collapse of water body"; k-ε turbulence model; VOF

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究进展 1

1.3 本文研究内容和技术方案 2

1.3.1基本内容 2

1.3.2 研究目标 2

1.3.3 采用的技术方案 2

第2章 基本理论与数值方法 3

2.1 STAR CCM 软件介绍 3

2.2 数值求解方法 3

2.2.1 “水体瞬间坍塌” 3

2.2.2 孤立波高 4

2.2.3 控制方程 4

2.2.4 VOF 5

2.3 波浪理论及其适用范围 5

2.3.1 波浪理论 5

2.3.2 波浪理论适用范围 6

2.4 小结 6

第3章 模型的建立以及计算 7

3.1模型的建立 7

3.1.1 模型参数的确定 7

3.1.2 计算域建立 8

3.1.3 边界条件 9

3.1.4 网格划分 9

3.1.5 3D转换2D 9

3.1.6 模型参数设置 10

3.2模型的计算过程 13

3.3 计算结果 13

第4章 计算结果的分析 21

4.1 计算结果汇总 21

4.2 计算结果分析 22

4.2.1 孤立波波面 22

4.2.2 水柱高度与孤立波高的关系 23

4.2.3 孤立波波高和水槽水深的关系 24

4.2.4 孤立波破碎现象 25

4.3 第4章结论 28

第5章 总结和展望 29

5.1 结论总结 29

5.2存在问题： 29

5.3未来展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1 研究意义

地震与海啸等自然灾害的发生严重威胁人们生命财产的安全。1998年7月17日，位于南太平洋岛国巴布亚新几内亚发生了海啸，1000多人直接死亡、2000多人失踪，多达6000多人无家可归。2001年6月，秘鲁南部发生触发海啸，七十余人人死亡，经济损失极其惨重。2011年3月11日，日本东部发生9.0级地震并触发海啸，超过1.5万人死亡，3000余人失踪，此事件致使日本福岛第一核电站泄漏了部分辐射物质，对周边的环境等造成了严重的危害。由此可见，地震与海啸等自然灾害对人们的危害是十分巨大的，如果可以掌握一定相关的规律，就可以提前预防或者降低此类自然灾害所造成的损失。

因为孤立波和海啸的特性相似，所以孤立波常用来描述海啸引起的巨浪以及波长较长的表面波的某些特性。故研究孤立波在近岸浅水域中的传播机理和特性是预防灾难、减少损失的一个重要方法。

1.2 研究进展

自从1844年罗素在实验室中发现孤立波以来，人们对对孤立波进行大量研究，其中在实验室中通过人工方式产生孤立波是研究海啸传播特性的一个重要方法。早期关于孤立波的实验室模拟方法主要是活塞型造波法，肖波^［1］根据造波机推板的运动条件，提出了产生孤立波的控制信号。左其华等^［2］利用 Syno- lakis^［3］的波面计算公式，生成了比较合适的孤立波波面，并将实验结果与 Goring^［4.7］方法生成的波面结果进行对比，发现结果符合很好。 Abadie 等^［8］通过突然松开原置于水面上的适当大小与重量的物体模拟海啸波的产生。Briggs 等^［9］研究了孤立波在环行小岛的传播过程，Penchev^［10-13］研究小组建立了有限水深条件下极限孤立波实验室造波系统，生成了二维极限孤立波。

王登婷等^［14］采用了一种新型的箱内水体瞬间坍塌造波方法( water column collapsing，WCC方法)，在二维波浪水槽中产生孤立波，实验采用尺寸不同的箱子分若干组次进行。研究用此方法产生的孤立波的波高与箱子宽度、箱内水体高度、水深的关系，为今后从事孤立波与建筑物相互作用研究打下基础。张文忠^[15]通过物理模型试验提出了两种坡率的海啸波爬坡公式。Wu^［16］等基于高阶孤立波解对Goring方法进行了改进，获得的波形得到明显改善。孟静, 王树亚^【17】进行了内孤立波对小直径直立桩柱作用力的实验研究，认为第一模态内孤立波的

流速方向以及作用力在桩柱的上下部分方向相反,产生很强的速度切变和扭力,对小直径直立桩柱造成破坏，此实验可以有力证明孤立波的破坏性，从而更加体现研究孤立波的必要性。