基于FLUENT的海堤越浪数值模拟

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中国 水运
第 11 卷
3 0m ，水深 6 m 。图 2 给出了源造造波法下造波源右边界处 注：所有工况下的斜坡坡度都为 1 ：1 .5 。C a se 1 ~C a s e4 入
波面历时曲线的模拟结果。其中入射波波高为 1.2 5m ，周期 为 5 .32 s 。
Y
R T
造
E M
波
YM 区
S
PRE SS UREINLET
计算域
WALL
消L
L
波A 区W
射波高 H0 为 1m ，Ca se 5 ~C a s e8 入射波高 H 0 为 2m 。
800
Ca s e 1
s)600
m·
3
/( m400
10
flux×200
600
) s ·4 0 0 (m 3m/ 0 1 ux×2 0 0 fl
的粘性系数是常数，
连续方程： u+ w=0 xz
（1）
动量方程：
uu
u 1p
2u
2u
+u + w = txz
+v ρx
+ x2
z2
+ Fx
（2 ）
w+u w +w w= g t xz
1 p+v ρz
2w + x2
2w z2
+ Fy
ห้องสมุดไป่ตู้
（3 ）
式中：ρ为流体密度，u 和 w 分别为 x 和 z 方向的速度，
方程，发展了适用于 VOF 方法的源造波-消波技术；张九山
（2 00 6）[4]也采用同样的源函数造波—消波方法，将多孔介
质模型作为耗 散源项添加到动量方程中， 对堤上不同位置铺
设异型块体时的越浪进行了数值模拟；刘亚男等（2 00 7）[5]
将造波方法进一步改进，采用解析松弛造波- 消波方法，将实
际计算得到的 流速和压强在每一时刻进行 更新，利用该数值
p 为压强，μ为 粘性系数，Fx 和 F y 分别为附加的源项。
VOF 输运方程：
αq + t
(uαq ) + x
(w z
)
q
=
0 ，α1
+ α2
=
1，q=1 ，2
（4 ）
式中：体积分数函数 αq 定义为单元内第 q 相流体所占
有体积与该单元的体积之比。
2．数值水槽的验证
数 值水 槽中 通常 采用 推板 式造 波和 源造 波两 种造 波方
摘 要：文中基于 F LUE NT 软件平台，采用 VOF 法、R NG k -ε的湍流模型，基于线性波理论，通过 F LUE NT 的
二次开发功能实现了质量源造波。验证了光滑坡面时的 越浪，包括无胸墙和有胸墙两种情况。无胸墙情况下与前人
的数值结果和物模结果各进行了对比。有胸墙的情况下 ，分别考虑了胸墙高程和斜坡坡度这两个因素对于越浪量的
C2
1 2
ρv
vi
（7）
式中：右端为惯性损失项，C 2 为惯性阻力系数。
为了使 消波段既能完全消去波能，又 不至于使波浪刚传
入消波段即产生反射，本文对系数 C 2 进行随 x 坐标线性递增 的 处 理 ， 可 以 利 用 F LUE NT 中 的 UDF 宏
DE F INE _P RO FILE（n a m e ，th r e a d，in d ex）实现。
波浪水槽进行了简单斜坡堤断面波浪越浪量的计算模拟。
本文基于 F LUE NT 软件平台，采用了质量源造波法验证
了无护面块体 时的越浪情况，其中在有胸 墙条件下考虑了胸
墙高程和斜坡 坡度这两种因素对于越浪量 的影响，并与前人
的物模实验结果进行了对比，结果吻合良好。
一、数学模型
1．控制方程
二维情况下对 于自由面流动问题，液体是 不可压，流体
第 11 卷 第 7 期 2011 年 7 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 J ul y
No. 7 2011
基 于 FLUENT 的 海 堤 越 浪 数 值 模 拟
王 鹏，孙大鹏
（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 1 1 6023）
高和越浪进行了一系列的研究。
S a ville（19 5 5）[1]在水槽及水池中做了一系列有关波浪
爬高及越浪的 实验，在缩比模型实验的基 础上得到了估计波
浪最大 爬高及平均越 浪量的经验公 式；贺朝敖等 [2 ]做了一系
列的试验对带 胸墙的斜坡堤越浪量进行了 研究，讨论了堤前
波高，堤顶到 静水位的高度，平台宽度， 堤前水深，外侧坡
影响，并和物模试验进行对比，拟合了坡度和胸墙墙高与越浪量的关系曲线，结果值吻合良好。
关键词：F LUE NT；造波；越浪；胸墙；坡度
中图分类号：P731. 2
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）07- 0073- 03
波浪爬高和越 浪量是衡量防波堤和护岸工 程有效性和安
全性的一个重 要指标。近年来，国内外众 多学者对波浪的爬
为了消 除波浪二次反射的影响，数值 模拟中适当加长了
水槽的长度，图 1 为本文采用的源造波法数值水槽示意图及
边界设置。水 槽长 度取 为 40 0m ，其中造波区 2 0 m ，消波区
收稿日期：2 01 1- 0 4- 20 作者简介：王 鹏（1 98 6- ），男，大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，硕士，从事海岸和近海工程研究。 基金项目：国家自然科学基金（5 0 9 2 1 0 0 1 ）和海岸和近海工程国家重点实验室开放基金资助。
度，护面块体糙渗系数等多种因素对越浪量的影响。
随着计算机技术发展，利用 C F D 技术建立数值波浪水槽
具有广泛的应用前景。基于 FLUENT 软件，国内近几年探讨
了不少关于其 造波与消波的方法，并且对 该数值波浪水槽如
何用于越浪模拟上也有一定的研究。周勤俊等（2 00 5）[3]利
用 F LUE NT 软件，将入射波波场作为人工的分布源加入动量
式，为线性波。
q = 4 X 0ωsinh( kd ) cosh( k( z + d )) cos( kx
s
(sinh( 2kd ) + 2kd ) dx
ωt )
（6 ）
消波方 法采用多孔介质消波，它是一 种仿物理消波，即
在动量方 程右端添加一个动量衰减的源 项，忽略黏性阻力，
其源项表达式为：
Si =
式，本文将采用后者。
本文借鉴高学平等（2 00 2 ）[6 ]的源造波法，利用 F LUE NT
中的 UDF 宏 DE FINE _S OUR CE（n a m e ，c ，t ，d S ，equ ）
编程在 FLUENT 平台上实现。其源项等于生成波相应的水平
速度，造波时同时产生传播方向相反的两列波，源项采用（6 ）