摘 要

近半个世纪以来，计算机性能大大提升，其技术的飞速发展极大地促进并实现了CFD（计算流体力学）技术在船舶与海洋工程领域内的应用，利用数值方法进行的波浪模拟技术进入了其发展的黄金阶段。作为船舶初期性能设计试验的一个辅助性的手段，数值波浪模拟技术因其具有多样且高效的功能，在很大程度上弥补了传统物理水池的不足，传统水池与数值波浪模拟水池技术的结合全面涵盖了船舶初期设计实验过程中水动力性能分析预报的诸多试验领域；作为当前船舶与海洋工程领域研究的焦点，数值波浪模拟水池技术充分利用其模拟计算的优势，不仅可以对经典的波浪理论场景再现，还可以用于评估验证实验结果的可靠性，更是因其竟然可以对传统物理模型试验中难以实现抑或是无法实现的试验进行准确高效的模拟研究，自然也就日渐成为了船舶工程水动力性能预报以及海洋结构物研究设计特别是海浪研究的必备工具。本文旨在研究讨论影响数值波浪水池中模拟结果的影响因素，实现并验证利用数值方法进行模拟研究的可行性。

本文使用多物理场仿真软件Star-CCM ，基于求解粘性不可压缩流体的N-S方程（RANS方程）的粘性数值造波方法，建立三维数值波浪模拟水池模型。利用所建立的水池，采用速度边界造波法，结合标准k-ε湍流模型，使用VOF方法捕捉自由液面，对某一特定一阶波浪进行模拟。分别针对不同时间步长和水深对生成的波浪参数做了分析比较，所得结果对于三维波浪的数值模拟计算有着重要意义。论文主要研究了时间步长和水深对于波浪的数值模拟结果产生的影响。研究结果表明：在一般情况下，时间步长与波浪的耗散呈正相关，水深对实际模拟出波浪的波幅基本无影响。

关键词：Star-CCM ；速度入口造波；波浪耗散；数值模拟；VOF

Abstract

In the past half century, the performance of computer has been greatly improved, and the rapid development of its technology has greatly promoted and realized the application of CFD (Computational Fluid Dynamics) technology in the field of ship and marine engineering. The wave simulation technology using numerical methods has entered its golden stage of development. As an auxiliary means of ship preliminary performance design test, numerical wave simulation technology, because of its diverse and efficient functions, largely makes up for the shortcomings of traditional physical pool. The combination of traditional pool and numerical wave simulation pool technology comprehensively covers many test fields of hydrodynamic performance analysis and prediction in the process of ship preliminary design test The former research focus in the field of ship and ocean engineering, the numerical wave simulation pool technology makes full use of its advantages in simulation calculation, which can not only reproduce the classical wave theoretical scene, but also be used to evaluate the reliability of the experimental results. Moreover, it can carry out accurate and efficient simulation research on the tests that are difficult or impossible to be realized in the traditional physical model tests As a result, it has become a necessary tool for hydrodynamic performance prediction of ship engineering and research and design of marine structures, especially for wave research. The purpose of this paper is to study and discuss the factors that affect the simulation results in numerical wave tank, and to realize and verify the feasibility of using numerical method to carry out simulation research.

In this paper, star-ccm is used to build a three-dimensional numerical wave simulation pool model based on the viscous numerical wave making method of solving the N-S equation (RANS equation) of viscous incompressible fluid. Using the established pool, using the velocity boundary wave making method, combined with the standard k - ε turbulence model, using the VOF method to capture the free surface, a specific first-order wave is simulated. The wave parameters are analyzed and compared for different time steps and water depths. The results are of great significance for the numerical simulation of three-dimensional waves. This paper mainly studies the influence of time step and water depth on the numerical simulation results of waves. The results show that in general, the time step is positively related to the wave dissipation, and the water depth has no effect on the wave amplitude.

Key word：Star-CCM ; velocity-inlet wave generation; wave attenuation; numerical simulation; VOF

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外数值波浪模拟技术研究现状 2

1.2.1 数值波浪模拟技术研究 2

1.2.2 国内外数值波浪模拟技术发展动态 3

1.3 本文主要内容 3

第2章 理论基础 5

2.1 规则波理论 5

2.1.1 线性微幅波 5

2.2 数值模型 5

2.2.1 RANS方程 5

2.2.2 标准k-ε湍流模型 6

2.2.3 自由液面捕捉 7

2.3 造波方法 7

2.4 本章小结 7

第3章 数值条件的影响 9

3.1 建立计算模型 9

3.1.1 计算域与网格划分 9

3.1.2 网格质量检验 10

3.2 时间步长与水深的影响 12

3.2.1 不同时间步长 12

3.2.2 网格划分的影响 14

3.2.3 不同水深条件 16

3.3 本章小结 18

第4章 结论 18

4.1 工作总结 18

4.2 问题与展望 19

致谢 20

参考文献 21

绪论

研究背景及意义

一直以来，无穷无尽的海洋是人们魂牵梦绕的地方，18世纪60年代的第一次工业革命是全球工业化的开端；二战之后，第二次工业革命的无约而至更是给工业化的大火加了巨量的催化剂，极大地促进了电力、汽车、化工等新时代产业的诞生，为人们的生活带来巨大便利的同时，也带来了全球能源的急速消耗，许多陆地矿产被开采殆尽，于是，人们将目光投向广袤的大海。一直到20世纪中期，人们开始意识到广袤的海洋中蕴藏着远超陆地数目的石油和天然气资源，这一历史性的发现随即引发了新一轮的世界动荡，同时也为各行各业创造了大量新的机遇与挑战。于内，海洋资源的开发利用，于外，海上版图的维护与扩张，都离不开海洋科学技术的深入研究及设备开发。

众所周知，无论是舰艇船舶还是海洋平台，抑或是波浪能装置，在进行日常作业的过程中，都会受到极端海况的制约。长期以来，为了深入贯彻落实我国的海洋强国战略，国家海军迎难而上，出海频率逐渐上升，海上持续工作时间加长，于是舰船遭遇各种极端海况的概率大大升高。舰船在海浪中的大幅运动不仅影响了设备的正常工作，极有可能对船员造成严重的生理和心理影响，对正常执行任务有很大不利，对舰船的操纵耐波性都是极大的考验。由于复杂海洋环波浪环境中的海浪现象及其与海洋结构物之间的相互作用具有极大的随机性和特殊性，仅仅停留在理论计算层面很难满足实际工程设计的需要，要想将理论研究成果转化为实际工程应用，必须经过安全系数足够高的严格物理模型试验，波浪水池也就应运而生。

自20世纪50年代，物理波浪水池研究的星星之火呈现燎原之势，越来越多的国家、研究机构完成了具有多样功能的物理波浪水池的建造。例如采用空气式造波机模拟随机短峰波和长峰不规则波的泰勒水池；荷兰的利用摇板造波式造波机产生波浪瓦格宁水池。一直到21世纪的今天，物理水池依然可以满足船舶和海洋结构物设计研究的模型试验的各种需求，为其提供大量有意义，有价值的研究数据结果。上海交通大学闵行校区的多功能拖曳水池，可用于规则波或不规则波的等波浪的研究。武汉理工大学的多功能船舶拖曳水池，此水池可开展螺旋桨性能试验、船模阻力试验、操纵性试验、耐波性试验。国外比较著名的大型物理水池还有德国的汉堡水池 HSVA (Hamburgische Schffbau -Versuchsanstalt GmbH)，可进行螺旋桨与空泡、北极技术、耐波性操纵性和近海试验等一系列技术研究；挪威MARINTEK水池 (Norwegian Marine Technology Research Institute)，MARINTEK拥有世界领先的海洋技术实验室设施，并将实验室实践了软硬件的强强联合。水池专注于近海工程领域项目的研发和创新。日本海上技术安全研究所（National Maritime Research Institute），拥有世界最高水平的实验设施群，拥有约170名研究者，研究领域涵盖海事-海洋技术的各大研究热点。其核心技术是海洋技术的6个核心技术：环保的新概念船开发技术；环境影响评价、减少污染技术、海难事故分析技术；航行安全性提高技术；考虑到经济合理性的结构安全性提高技术；对应广泛且复杂条件的风险评价技术；海洋资源-可再生能源开发技术。

然而，物理水池的大型规模带来广泛的研究领域和可靠的试验数据等便利的同时，也带来了人力、财力、物力的极大消耗，其高昂的保养费用、试验开销以及漫长的试验周期令诸多国家和研究所望而却步。于是，随着近年来计算机技术的发展成熟，数值波浪水池走进人们的视野，成为国内外研究人员关注的焦点。利用计算机数值方法模拟海浪以其具有的高效、精确、节约资源、可重复性强等优势，使其得到越来越多的学者和科研工作者的青睐，自然而然地成为一种高效的研究波浪及波浪与海洋结构物的相互作用问题的工具，如今已被广泛应用于船舶工程、海洋工程以及水动力学问题分析的诸多领域。

数值波浪水池利用CFD（计算流体力学）技术来求解流体运动N-S方程，从而在计算机的模拟物理空间里实现了对规则波和不规则波浪的生成、传播、衰减过程的模拟，，实现波浪流动及其与海洋结构物相互作用的数值再现，对船舶和海洋平台的开发设计中出现的一系列问题提供更优化的解决方案。在数值波浪模拟技术问世的几十年时间里，其研究开发设计逐渐成为了船舶与海洋工程界的广泛关注的焦点问题。在发展初期，利用人为设计的函数进行自然界多变的额物理场景的模拟的可信程度还比较低，因此利用数值方法进行的虚拟试验结果仍需要研究人员进行基于物理水池的试验研究或是海上实测数据的对比验证。经过近几十年来相关领域内科研工作者的不断地开发研究，利用数值方法进行波浪的模拟研究技术逐渐得到完善。其计算结果精确，可花费较低的成本提供十分完善的流场信息、以及良好的可操作性使得传统的物理试验水池难以望其项背，在波浪的仿真模拟以及船舶及海洋结构物的设计开发与水动力性能预报中发挥了不可缺少的作用。对于船舶工程、海洋工程而言，数值水池技术的研究开发所带来的进步是革命性的。

国内外数值波浪模拟技术研究现状

船舶与海洋工程的不断发展为数值水池的诞生提供了充分的必要性；波浪理论研究的逐渐完善、利用高性能计算机进行数值仿真技术的迅猛发展为数值波浪模拟技术的开发研究提供了充分的科技设备基础。基于高性能计算机平台对传统的物理模型试验进行情景再现。在数值波浪模拟水池中对波浪的产生、传播、衰减过程及其与船舶、海洋平台或其他结构物相互作用的研究才逐渐成为可能。国内外无数的专家学者、科研工作者在日复一日不曾懈怠的研究开发设计中攻坚克难，获得了一系列丰硕的研究成果。

数值波浪模拟技术研究

在数值波浪水池模拟的设计研究应用过程中，如何实现造波与消波技术是问题的关键。在数值水池中实现造波的常用方式有模拟传统物理水池中常用的推板法或摇板法造波、源函数造波和速度边界输入造波。模拟传统物理水池造波式的推板或摇板造波方法借鉴了其主要思想，利用动网格技术对造波板不同的往返运动进行模拟，从而在数值波浪模拟水池中生成目标波浪，由于是模拟实际物理场景，因此这种方法的模拟结果一般通过在传统的物理水池中做类比实验以得到验证，因为借鉴了传统物理水池思想的缘故，学者们以及科研工作者对于这种方法的研究十分广泛，其理论发展较为完善，是目前实现造波最常用的方式。但是这种方法用到的动网格技术也给其广泛的应用带来了强大的阻力，动网格技术的引入比较大的数值误差，同时也不便于应用在有传播速度条件的波浪水池；源函数造波法借助数值模拟的优势创造出的理想化造波模式同时适用于理想流体和粘性流体，通过在所求解流场的连续性方程中添加源项，来模拟自由页面的波动；边界速度法即根据预期波浪的理论波形参数，在流域的速度入口边界设定相应的水质点运动速度实现造波。

数值波浪模拟技术的开发与研究发展如日中天，越来越多的学者通过仿物理波浪水池式的造波板运动造波、边界造波或源函数造波等数值造波技术模拟出理性的波浪；查晶晶^[1][1]利用OpenFOAM开源程序开发了有效的二维波浪水池并实现了仿物理式的造波板造波技术；廉静静^[2][2]基于仿物理造波技术在数值波浪水池中成功高质量地模拟了三维规则波；刘秀丽^[3][3]等使用OpenFOAM平台，通过添加质量源的方法和造波边界法实现了波浪的数值模拟；董志^[4][4]等基于FLUENT软件，利用软件的二次开发功能设置了造波边界实现了造波，并综合比较了几种常用的造波方法的优劣及其适用性。

国内外数值波浪模拟技术发展动态

Wang pei等^[5][5]（1993）在数值水池中对非线性平面波进行了模拟，研究了波群的变形和破碎的完整演变过程，获得了高质量的波性，并提出了变形波和射流的能量动态分布规律；