1．目的及意义

目的及意义：

在船舶与海洋工程问题中，波浪是作用于船舶与海洋平台等海上结构的主要载荷之一，波浪与结构物的相互作用的研究一直是海洋工程领域的研究热点之一。此外，船舶在海上航行过程中，在海浪的作用下将会产生复杂的运动,船舶在实际波浪环境中的运动特征与水动力性能在船舶设计中有着重要的地位，也是船舶设计者与科研人员密切关注的问题。模拟优良的波浪条件是研究此类问题的基础，为了研究船舶等海上结构在真实海况下的运动，保证其安全、有效的运行，应首先对波浪进行研究。

波浪水槽是船舶与海洋工程领域的一种重要的实验设备，可以在水槽中模拟自然界中的波浪，通过实验来解决各种海洋工程、船舶工程问题。波浪模拟途径有物理模型实验与数值模拟。物理模型实验是通过在波浪水槽中进行实验来进行波浪等的研究，传统的物理模型实验技术已较为成熟。而数值模拟是通过建立数学模型来研究波浪与结构的相互作用。近年来，随着计算机技术与数值模拟技术的发展进步，通过建立数值波浪水槽^[1]来进行波浪模拟并应用于船舶与海洋工程的研究已经成为流体力学等研究领域的重要课题。相较于传统的物模实验，数值波浪水槽具有经济性好、效率高、精度高、可获得较详细的流场信息、不受场地限制等优点。因此，数值波浪水槽具有广阔的发展前景，相关的研究越来越受到重视。

波浪模拟包括规则波、不规则波、非线性非高斯海浪^[2]等诸多方面。在自然界中，波浪是非线性的，船舶实际在不规则波中航行，研究波浪与结构物相互作用的问题实质上是非线性问题，对不规则波中船舶运动的研究更加贴近实际。

本文基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法进行不规则波浪模拟，采用商用粘性流计算软件FLUENT建立用于模拟不规则波运动的数值波浪水槽。通过本课题研究，验证CFD方法在不规则波生成及传播问题应用的有效性，为模拟海洋结构物在真实海况下的运动及载荷预报所需的波浪环境提供解决途径。

国内外的研究现状：

物理试验水池在对船舶与海洋工程等问题的研究中一直发挥着重要作用，是一门较为成熟的试验技术，但其成本较高，且组织实施较为复杂。近些年来，随着计算机技术的发展，通过数值模拟的方法利用数值水池对波浪进行研究逐步成为该领域的热点问题。由于理论模型的不同，涉及到的数值方法和技术也不相同，目前，数值水池大致分为两个方向：基于完全非线性势流理论和基于NS方程以及引入湍流模型。在这两类水池中，后者最接近真实的物理水池，这类数值水池得到了较快的发展。如Park等^[3]在数值水池中开展了短峰不规则波的模拟；吴乘胜^[4]在数值水池中开展了长峰波规则波的模拟技术；肖冰、吴明等^[5]基于CFD 的方法，建立数值波浪水池并对海面经常出现的短峰不规则波进行了数值模拟，为探究海浪对海上武器使用的影响打下了基础。

数值造波和消波是完成数值水池开发的基础工作，是实现数值水池需要解决的关键问题。数值造波是构建数值波浪水槽中的关键技术，其任务是基于CFD方法生成所期望的波浪环境。数值造波通常有两种方法，一种是仿物理造波，即仿照物理试验水池的造波原理，比如摇板造波、推板造波和冲箱式造波等，它的原理简单，容易得到检验，但涉及到边界运动和网格运动，计算量较大。另一种是纯数值造波技术，是结合波浪理论来模拟波浪的一种造波方法，主要有边界条件造波法及源造波法。如今，各种造波技术不断发展，被广泛应用到数值试验水槽当中。Havelock^［6］基于线性波理论推导出推板造波运动和摇摆造波运动的解析解；邹志利等^[7]、刘加海等^[8]应用物理水槽造波原理实现了规则波的造波；周勤俊等^[9]利用 FLUENT软件，通过将入射波波场作为分布源加入动量方程，发展了适用于 VOF 方法的造波-消波技术。另外，消波也是数值试验水槽中的一项重要技术，如果不采取任何消波措施，产生于数值水槽一端的波浪传播开来，到达水池另一端时会产生反射，反射回的波浪会干扰入射波场，对数值实验的开展造成影响，因此往往需要采取消波措施使水槽末端不会发生反射。为了消除端部反射，Larsen和Dancy^[10]提出了用海绵层吸收传递到边界处的波能，同时在出流边界处利用 Sommerfled 条件，使未能衰减的部分波浪透过边界传到域外； 董志和詹杰民^[11]提出了多孔介质消波方法，构建了可有效模拟弱非线性波的数值波浪水池；高学平等^[12]利用 MAC（markerand cell）法直接数值求解连续性方程和 N-S 方程，采用了源造波方法，在开敞边界处采用了海绵层阻尼消波的处理方式；梁修锋和杨建民等^[13]建立了基于动量源消波的数值波浪水池，进行了规则波下的甲板上浪数值模拟。

虽然数值模拟波浪得到了迅速发展，但仍存在许多需要迫切解决的问题。首先是造波和消波问题，其次，将波浪模拟用于船舶与海洋工程的研究中存在海浪衰减的问题，如何减少海浪在传播过程中出现的严重的海浪衰减已成为亟待解决的课题。本文基于船舶工程与海洋工程等领域的实际需求，了解了国内外研究现状，并针对目前存在的问题开展研究。

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2. 研究的基本内容与方案

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基本内容：

1、学习CFD方法基本理论及其在数值造波领域的应用。