数值波浪水槽的构建开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

海面上水面高度的最大值（峰）和最小值（谷）随时间而在空间交替地出现称为水波或波浪。海面上波浪最大高度可达20-30m，对海洋中和海岸处的工程建筑物，如船舶、采油平台和港口等，会产生巨大的破坏力，是这些建筑的主要荷载。要分析波浪对建筑物的作用，首先要确定波浪要素（波高和周期）或波浪谱，其次还要知道波浪中流体运动的规律（速度及压力分布等），以及深水中波浪是如何传向海岸或建筑物附近的。因此需要建立一个合适的波浪水槽来模拟实际海面上波浪的运动。研究者们常常把波浪数值水槽描述为“利用计算机实现真实的波浪水槽，能够模拟多种波浪模型，最终达到用计算机代替或者部分代替真实波浪水槽以完成相应的工程项目”。与实验室真实波浪水槽相比较，利用计算机技术搭建的数值波浪水槽实验成本低，不受时间、天气等因素限制，而且能够得到许多实验水槽难以获取 的监测数据。基于以上优点，数值波浪水槽在研究波浪以及波浪与海洋结构物相互作用、海岸工程研究领域得到了广泛的应用。

数值造波是建立一个数值波浪水槽最关键的一步，目前数值造波方法主要有3种方法：边界、摇板和源项造波方法，J.N. Newman根据线性势流理论，分别在方形和圆形水槽中设置造波机来产生平面推进波，并分析了波浪辐射问题。董志和詹杰民基于不可压缩流体的 N-S 方程以及 VOF 自由液面追踪法，通过对 FLUENT 商用软件进行二次开发，实现了动边界的造波以及消波的数值造波方法，得到了数值造波与消波的关键技术；刘家海、曾利利用FLUENT软件分别基于推板和摇板式造波机理论，对湍流场中的线性波及二阶Stokes波进行了研究。另外，由于水槽尺寸是有限的，为了避免反射波对造波精度和稳定性产生影响，消波也是必不可少的。Orlansk利用出流边界条件方法来进行消波，该方法以Sommerfeld条件为出流边界条件，使波浪透过辐射边界条件传到域外。Aggelos S，Giovanni等在数值水槽末端设置逐渐稀疏的网格，来对消波进行优化。韩朋，王冰等在水槽右端的出流边界条件处，设置了一定长度的海绵层来吸收波浪，海绵层的衰减系数采用线性分布的形式。

2. 研究的基本内容与方案

（1）理论推导

在不可压缩，理想流体假设下，由于流体静止启动，流体是无旋的。根据线性势流理论，可以得到速度势函数以及波面方程。

（2）数值建模

3. 研究计划与安排

第1-2周：阅读相关文献不少于15篇；

第3周：翻译其中一篇文献，原文应不少于20,000英文印刷符，撰写开题报告；

第4周：学习波浪理论，并推导线性波的运动控制方程、边界条件等；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] newman j n. analysis of wave generators andabsorbers in basins[j]. applied ocean research, 2010, 32(1): 71-82.

[2] sriram v, schlurmann t, schimmels s.focused wave evolution in intermediate water depth using first and second orderwave maker theory[j]. applied ocean research ,2015,53:279-296.

[3] higuera p, lara j l, losada i j. realistic wavegeneration and active wave absorption for navier–stokes models: application toopenfoam[j]. coastal engineering, 2013, 71: 102-118.