matlab波浪力的数值模拟,【干货】二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟（附详细步骤）...

原标题：【干货】二维波浪水槽以及波浪传播变形的数值模拟(附详细步骤)

注：本人自做的作业，截图的时候有点混乱，若有许多漏洞，望多多包涵。

一、建立物理模型

波浪理论采用微幅波，波浪的周期T=0.89s，水深h=0.4m，波高H=0.125m。二维数值波浪水槽总长13m，高1m，水槽底面的前3m是水平的，后10m是坡度为1/15的倾斜坡面。

图1 整体模型

二、网格划分

本模型采用CFD专业网格划分软件ICEM划分流体计算域的网格，网格划分选择非结构化网格。为了更好地捕捉到自由液面(及水气交界面)并得到水底流场的变化情况，在水平面处进行网格加密，且水下网格的整体尺寸小于空气网格的尺寸。网格节点加密时主要通过Exponential2和BiGeometric两种划分原则，使节点呈不均匀分布。图2是划分结构化网格时的Block分布。

图3是入口处的截图，可以明显看到网格的分布情况，其中上部分为空气，下部分为水，中间是自由液面。

图2 Block分布

图3 入口处网格分布

一共有133272个单元，图4是网格总体质量分布图，网格质量基本接近于1，说明网格总体的质量较好。图5是网格长宽比值的分布，其中单元的最大长宽比为11.4，最小长宽比2.08，长宽比越接近于1越好，最好不要超过18，所以网格质量符合计算的要求。

图4 网格总体质量

图5 网格长宽比值分布

三、Fluent计算过程设置

整个过程采用瞬态分析，由于本文中y为竖直方向，所以在y方向施加重力加速度9.81m/s^2。波浪自由液面的捕捉采用VOF方法，主要通过求解流体体积输运方程，前面已给出方程形式。总体为两相流模型，所以整个模型只有水相和气相。然后借用明渠模型进行造波，体积分数参数方程采用隐式算法，体积力方程中采用隐式体积力，设置过程如图6所示。

图6 通用设置和VOF设置

湍流模型选用RNG k-epsilon两方程模型。壁面函数选用Scalable Wall Function，该壁面函数对于任意细化的网格，能给出一致的解。空气的密度为1.225kg/m^3；水的密度为998.2kg/m^3，动力粘度为0.8937kg/(m·s)。

图7 湍流模型和材料参数设置

相设置中，空气为主相，水为次相。操作环境设置为标准大气压101.325kpa，参考压力的位置为自由液面处，即y=0.4m处。

图8 相和操作环境设置

边界条件的设置如图9所示，因为模型为斜坡海岸的简化模型，所以底部设置为固壁边界条件，入口设置为速度入口，出口和顶部均设置为压力出口，计算域设置为Mixture混合流体。

图9 边界条件设置

速度入口要选用Open Channel Wave BC，在多相设置中设置波浪边界条件为中浅水波，自由液面离底部的高度为0.4，水底为y=0m处，波浪理论选用二阶Stokes波浪理论，波高为0.125m，波长为1m，波浪的相位差和波头角均为0。压力速度耦合方法采用SIMPLE算法，压力项为PRESTO格式，对流项采用二阶迎风格式，。

图10 造波和求解方法设置

初始化采用从入口的混合初始化，初始化方法为Flat初始化。时间步长设置为0.01s，总步长数为4000步，最大迭代次数为50。

图11初始化和时间步长相关参数设置

五、计算结果分析

计算完成后，通CFD-POST软件进行后处理，分别得到速度矢量云图和压力云图。

图12 二阶Stokes波浪形状

图13 稳定过后的波浪形状

图14 速度矢量图

图15 压力云图

从速度矢量图中可以看出流体质点环形运动，符合基本的物理现象，压力随水深呈梯度变化，同时可以看出数值水槽可以较好地模拟波面变化。论文不足的地方是：波峰应随水深变浅而逐渐变陡，但在Fluent中由于波浪衰减较快，波浪能量耗散较大，此现象不是很明显。

图16是利用Xflow模拟出的结果，由于相关参数和边界条件设置大同小异，这里不再展示具体过程，此软件与Fluent不同的是：它采用的计算方法是格子-玻尔兹曼方法，网格采用的是笛卡尔网格。可以看出Xflow模拟的效果更好，同时可以间接说明Fluent为了得到较好的稳定性而使数值耗散比较严重。图17是卷浪的局部放大图，可以看出格子-玻尔兹曼方法在观察某一质点的细节运动时较Fluent具有明显的优势。

图16 Xflow中模拟的结果

图17 粒子追踪的卷浪效果

参考文献

[1]高睿, 任冰. 波浪沿斜坡传播的SPH数值模拟[C]// 中国海洋. 2009.

[2]游涛. 波浪在斜坡上的传播破碎及沿岸流研究[D]. 天津大学, 2004.

[3]安蒙华, 蒋勤, 张长宽. 波浪在斜坡堤上传播的数值模拟[J]. 水运工程, 2014 (6):25-29.

[4]李胜忠. 基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究[J]. 2013.

缺点：波浪的耗散很严重，试过降低粘性系数、改变模型和网格大小、更换边界条件和湍流模型，最终还是没有找到解决的好办法。返回搜狐，查看更多

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