海洋结构具有高风险，一旦发生事故很容易造成严重的环境污染和巨大的经济损失，甚至造成人员伤亡。其中，波浪力是海洋工程建设中需要考虑的主要动力因素之一，波浪荷载本身荷载形式、特征和生消发展规律一直是海洋工程研究的重要课题。波浪荷载与水工建筑物之间的相互作用也是结构发生动力响应的主要激励，对水工建筑物的设计规划及安全运营有着重要的影响。我国有着绵长的海岸线与丰富的海洋资源，为此需要各式各样的防波堤和海洋平台。为保证水工建筑物的稳定性，使其安全有效地发挥其功能，海洋工程设计活动中经常需要计算结构所受的波浪荷载，预测结构对波浪荷载作用的动力响应。因此，建立精确有效的数值波浪水槽研究波浪与建筑物相互作用一直是海洋工程的前沿课题之一。

目前关于波浪与海洋结构物间相互作用问题的研究己经比较深入。事实表明，许多海洋工程事故的发生都与非线性因素有关，结构物的破坏往往发生在连续几个大波的极端状况下。工程实践促使人们将研究的注意力集中到波浪与物体相互作用的非线性特性上。目前解决该问题的研究手段主要有理论分析、物理模型实验与数值模拟等。

理论分析方法就是运用数学解析的手段，通过推导在相关条件下建立的物理方程的解析或半解析解，预报海洋结构物相关响应。由于解析方法在计算精度上明显的优势，这种方法在波浪与结构相互作用问题研究初期非常流行。1953年，Thorne开始利用解析方法对表面波问题进行研究。之后，MacCamy，Garret，Spring，Linton等人相继对波浪与圆柱形结构、球形结构和桩柱结构开展了解析方法研究。然而解析解只适用与简单几何形状或线性波浪问题，具有一定的局限性，对于复杂的海洋结构并不适用。

物理实验方法就是以实际问题条件为原型，根据相似准则原理在波浪水槽中建造一定缩放比例的物理模型，进行实验研究的手段。实验研究可以有效地模拟实际工程情况，其结果也是最被学者所接受的。然而物理模型实验虽然能够对复杂波浪现象进行分析与研究，但是相关设备造价昂贵且试验过程周期较长，难以高效还原实际环境条件，严重影响了物理模型实验应用的广泛性。

相比于理论分析和物理模型实验研究两种方法的局限性，对于形状复杂的海洋结构，建立数值模型来解决波浪与结构之间相互作用问题的数值模拟方法更具有普遍意义。以数值造波为核心的数值波浪水槽，可以模拟真实的波浪，提高海洋工程相关问题的研究效率。如果能够对高阶非线性波进行计算模拟，那么就可以用数值波浪水槽模拟各种条件下、特别是极端波况下的波浪运动特性。同时数值模拟与实验手段相比，可以节约人力、物力、财力和时间，而且数值模拟的可重复性好、条件易于控制，比实验研究更自由、更灵活。因此，数值波浪水槽近年来一直是国内外相关学者关注的焦点。深入研究数值波浪水槽是进一步研究波浪与结构物的运动响应及水动力特性的基础，尤其为下一步进行波浪能吸收装置的数值研究奠定基础。

数值波浪水槽在造波方法的选择上，既有仿物理情形的推板或摇板造波，如查晶晶等基于OpenFOAM求解器interDyMFoam，开发实现了数值水池造波(包括推板和摇板造波)；也有源项造波法，如张淑华等利用设置质量源项法在Fluent软件中模拟出较为有效的线性波和弱非线性的二阶Stokes波。Tanizawa等采用边界元方法，研究了二维数值水槽中非线性波的生成，同时在时域内求解了非线性的波浪场及引起的浮体运动。Kim等采用有限差分法和改进的 MAC方法，建立了非线性不规则三维数值波浪水槽。Li将垂直矩形桩加入到三维数值波浪水槽中，进一步研究了波浪与结构物的相互关系。兰雅梅等以N-S控制方程，基于有限体积（VOF）法，将入射波波场作为人工的分布源项加入动量方程，提出了适用于VOF方法的源造波—消波段技术；还有速度边界造波法，如郑艳娜等基于Fluent软件及其UDF的二次开发以及N-S和连续性方程，运用边界造波法的速度入口造波，模拟二维数值波浪水槽。董志等基于不可压缩黏性流体的N-S方程和VOF方法，利用FLUENT及其二次开发功能，结合动边界造波、多孔介质消波等方法，建立了可有效模拟弱非线性波的数值波浪水槽。为了避免波浪在水槽末端形成反射，需进行消波的处理。常见的方式有主动消波，如王学永基于线性造波机理论在水槽左端设置了可吸收式造波机数值边界条件，即造波板的运动除了产生行进波外，同时还产生一个抵消反射波的局部波动；有动量源项消波，即通过在动量方程中添加人工阻尼项实现消波；还有利用开边界的方式消波，即利用Sommerfeld 线性辐射条件，让到达水槽末端的波浪透射出去，如Larsen等；此外，胡杭辉等应用基于N-S方程和VOF自由面捕捉方法的Fluent软件建立了同时具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽。

综上所述，在基于Fluent软件模拟数值波浪水槽方面，主要是对造波、消波等数值波浪的研究以及不同造波方法的对比，对于应用数值波浪水槽研究结构物与波浪的相互作用方面还需深入探讨。

2. 研究的基本内容与方案

主要内容为基于Fluent软件建立二维数值波浪水槽模型，基于此模型模拟线性规则波和Stokes波的传播，为进一步研究波浪与结构物的相互作用提供可靠的数值工具。

从20世纪60年代起，计算流体动力学（CFD）不断发展。计算流体动力学是流体力学和计算机科学相互融合而成的新兴交叉学科，除了得益于计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外，还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制，例如由于问题的复杂性，既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD的方法具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。

近年来，随着计算机技术的快速发展，计算机的计算能力和存储能力有了巨大的提高，越来越多学者利用数值模拟方法对海洋波浪进行研究，其中数值波浪水槽技术得到了众多学者及工程师的青睐，被广泛应用于波浪与波浪、波浪与地形、波浪与结构物相互作用问题的研究。为了促进数值波浪水槽的规范化发展，1997年的国际近海与极地工程师协会（ISOPE）中对数值波浪水槽给出了一个较全面的定义：数值波浪水槽是一种计算机的仿真模拟程序，其目的是用来尽可能逼真地模拟真实的实验波浪水槽的各种功能，并最终能够替代实验波浪水槽完成相应的科学研究及工程设计等任务。从上述定义可以看出数值波浪水槽的目标是利用数值计算的方式来对水流运动规律进行准确描述，进而得到所关心的各物理量的解。