圆形数值波浪水池斜向和多向入射波浪模拟研究

第36卷第4期海洋工程Vol. 36No.4 2018 年7 月THE OCEAN ENGINEERING Jul. 2018文章编号：1005-9865 (2018) 04-0078-10圆形数值波浪水池斜向和多向入射波浪模拟研究任兴月、陶军1，彭伟2(1.海南大学海洋工程与技术系，海南海口570228; 2.河海大学港口海岸与近海工程系，江苏南京210098)摘要:为了研究斜向人射波浪，基于三维不可压缩两相流模型，开发了一套圆形数值波浪水池数值模型。

在圆形波浪水池 中，通过源项造波法成功生成了任意人射方向的波浪，并且利用人工摩擦项模拟阻尼区以数值耗散反射波浪。

模型基于嵌人 式多块网格体系，米用F V M法（finite volume method)离散Navier-Stokes方程，V O F法（volume of flu id)追踪自由水面。

试验结 果表明，斜向人射波浪的模拟结果与理论值基本一致，圆形波浪水池在模拟斜向人射波浪时，有效区域的面积较传统波浪水 池显著增大，而且有效区域受波浪人射角度的影响也较小。

同时，通过叠加多列斜向人射波浪，模拟出了多向交叉波列，并通过与理论结果对比，发现其具有较髙的精度。

关键词:斜向人射波浪；圆形波浪水池;柱坐标系;V O F法;F V M法中图分类号:T V139.2文献标志码：A D O I:10.16483/j.issn.1005-9865.2018.04.009Study on oblique and multi-directional waves based on numerical circular wave tankR E N X in y u e1,T A O J u n1,P E N G W e i2(1.School of Civil Engineering and Architecture,Hainan University,Haikou570228, China； 2.College of Port,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098, China)Abstract ：To study the directional waves,a numerical circular wave tank was developed based on the three-dimensional incompressible two-phase flow model.W ithin the circular wave tank,waves with arbitrary incident direction could be generated by adopting a wave source term to the continuity equation,and the reflection waves could be numerically dissipated using a damping zone by adding an artificial friction ter^n to the momentum equation.The numerical computation was solved based on an embedded grid system,and the control equations were discreted by using the finite volume method (FVM).To track the free surface,the volume of fluid (VOF)was applied.The numerical results with the oblique waves agree well with the theoretical data.The results show that the circular wave tank has an advantage in simulating direction waves,and the effective area in the circular wave tank for oblique wave simulation is significantly larger than that in a traditional rectangular wave tank.And the incident angle of the oblique wave w ill not affect the effective area in the circular wave tank,while it is mainly influenced by the wave incident direction,wave maker in a rectangular wave tank.Moreover,multi-directional cross waves were also simulated by a superimposition of the oblique waves in this work with high accuracy.Keywords ：oblique wave；circular numerical wave tank；cylindrical coordinate；VOF；FVM海洋工程结构物长期受到风浪流等海洋环境条件的影响，其中波浪是影响海洋工程结构物最重要的环 境因素。

波向是海洋波浪的另一个重要特性,其在海洋和海洋结构水动力荷载的应用中扮演很重要的角色。

收稿日期：2017-12-19基金项目：国家自然科学基金（51609056)作者简介:任兴月（1983-),男，博士，讲师，主要从事计算流体动力学研究。

通信作者：陶军，男，主要从事港口、海岸近海工程研究。

E-m ail:reiixiiy@第4期任兴月，等:圆形数值波浪水池斜向和多向入射波浪模拟研究79为了研究多向不规则波浪，20世纪50年代，法国的S o g re a h 实验室研制了分段式造波机，并将之安装于一个 矩形的平面水池中，利用各单块板之间运动的相位差成功制造了斜向入射波浪。

20世纪70年代，英国爱丁 堡大学利用分段式造波机进一步产生了多向不规则波浪。

李玉成等[1]利用海洋工程水池研究了斜向不规 则波浪与直立墙的作用；俞聿修等[2]研究了单向与多向不规则波浪作用下斜坡式建筑物护面块体的稳 定性。

由于分段式造波机产生的波浪是由各单块板产生波浪叠加的结果，每块板产生的波浪向外耗散传播，具 有三维性，同时相邻板之间缝隙间的水体流动，也会造成产生波浪的横向大小不均匀。

另外，制造多向波浪 或斜向入射波浪时，波浪入射方向与造波机和水池边壁都呈一定的夹角，生成的波浪遇到水池边壁会发生反 射，从而影响试验效果。

柳淑学[3]分析了分段式造波机的性能参数，发现造波机板总宽与单元板宽是影响 波浪的重要因素。

李木国等[4]也研究了分段式造波机的总宽度对波浪均匀性的影响，并证实了波浪在水池 两侧的反射等误差源会增加波浪能量的不均匀性。

俞聿修和柳学淑[5]进一步给出了多向不规则波浪水池 试验存在的问题，认为模型所能产生的波浪的方向范围受到分段式造波机性能的限制，而且波浪的有效区域 只是分段式造波机一侧一个较小的范围。

W illia m s 和C m ll [6]探讨了斜向入射波浪有效区的位置和形状，指 出其为由波浪的入射方向、分段式造波机与波浪外边界构成的一个三角形区域，并且研究了不同入射方向斜 向入射波的有效区，发现随着波向角的增加，水池边壁的反射波对实验的影响也逐步增加，实验有效区的面 积会逐步减小。

可见，在多向造波系统中，造波机板和波浪入射方向的夹角是影响波浪入射质量的重要因 素。

所以，多向造波系统的性能对波浪入射角的依赖性较大，波向角越大，多段式造波机的造波性能越差，水 池边壁反射波的影响区域越大。

为了改善矩形波浪水池的多向造波系统，研究者进行了大量的研究与尝试。

柳淑学[7]在产生斜向波和 多向不规则波时，考虑了试验水池边壁的反射波;李俊等[8—9]、冯光等[10]在数值波浪水池中，采用双边多段式 造波机，成功地增大了实验有效区的范围。

N a ito [11^l j 建造了一个新型的圆形波浪水池，并且给出了斜向入 射波浪的生成方法。

不同于传统的矩形波浪水池，其分段式造波系统沿水池周向呈圆形布置，基于可吸收反 射波浪的造波机，可以产生任意方向的波浪。

在这个圆形水池中，圆形多段式造波机沿径向运动产生柱面 波，通过叠加多列柱面波来生成平面波，相较于传统的矩形波浪水池，其对方向波浪具有优越的适应性。

然而针对圆形造波水池的研究只是刚刚起步，造波理论还没有健全，一直没有解决多向不规则波浪的生成问题。

N a tio [11]的研究基于柱面波叠加合成平面波，采用贝塞尔函数控制多段式造波机生成斜向入射波浪，如果基于该方法生成多向不规则波浪，造波机的控制函数会非常复杂。

T a n a k a 等[12]在水池内部采用弧形多段式造波机模拟斜向入射波浪，可以通过叠加多个弧形造波机的控制函数来生成多向不规则波浪，这为圆形波浪水池多向不规则波浪的生成理论奠定了基础。

为了研究圆形水池，Ren等[13-14]在T a n a k a 等[12]理论的基础上，建立了圆形数值波浪水池的数值计算模型（如图1所示），并成功制作了任意方向的斜向入射波浪。

在R e n 等[13-14]模型的基础上，通过修改控制方 程，在计算区域的内部设置了一个造波区，并施加了一个质量源项（B ro rs e n 和L a rse n [15];L i n 和L iu [16];K a w a sa ki [17])来生成任意方向的波浪，试验建筑物的反射波浪可以透过造波机传出计算区域而不会被再次 反射。

并且，采用人工黏度法（董志等[18];韩朋等[19])消除外围波浪，进一步完善了圆形数值波浪水池数值 模型。

模型采用嵌入式多块网格技术产生计算网格，并在计算网格上，采用有限体积法离散N a v ie r-S to k e s 方 程，通过V 0F 法追踪自由水面。

模拟试验表明圆形波浪水池中的有效区域面积较传统波浪水池显著增大， 而且有效区域受波浪入射角度的影响极小。

\造波区图1圆形波浪水槽示意 Fig . 1 Schematic view of circular wave tank80海 洋工程第36卷1控制方程数值波浪水池是一种利用C F D (计算流体力学）方法，在有限计算区域中，施加造波与消波条件,求解控 制方程，时域的数值模拟自由表面重力波浪的方法。