楔形体在波浪中自由入水的数值模拟.pdf

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1、第３５卷第５期海洋工程Ｖｏｌ.３５Ｎｏ.５２０１７年９月ＴＨＥＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳｅｐ.２０１７文章编号:１００５-９８６５(２０１７)０５-００４２-０９楔形体在波浪中自由入水的数值模拟１１２１１王平,袁帅,张宁川,陈伟斌,陈元(１.国家海洋环境监测中心，辽宁大连１１６０２３;２.大连理工大学海岸及近海工程实验室，辽宁大连１１６０２４)摘要:物体入水时波浪的影响不可忽略，基于流体力学模型采用ＶＯＦ法，并利用自定义函数，模拟了楔形体的自由入水过程;同时结合推波板原理及海绵层消波理论实现了数值水槽的造消波，完成了波浪中楔形体自

2、由入水的模拟，计算了楔形体入水时所受的水作用力、自由液面变化及物面压强分布等，研究了不同波高、周期以及在波浪不同位置入水时对楔形体的影响。结果表明:本文建立的数值模型可很好地模拟楔形体入水造成的射流及空泡的形成发展过程，波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定，在波浪不同位置处入水对楔形体受力及入水形态均有较大影响。关键词:楔形体;波浪;入水;ＶＯＦ;数值模拟中图分类号:Ｐ７５１文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１６４８３/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５-９８６５.２０１７.０５.００５Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｆｒｅｅｗ

3、ａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙｗｅｄｇｅｉｎｗａｖｅ１１２１１ＷＡＮＧＰｉｎｇ，ＹＵＡＮＳｈｕａｉ，ＺＨＡＮＧＮｉｎｇｃｈｕａｎ，ＣＨＥＮＷｅｉｂｉｎ，ＣＨＥＮＹｕａｎ(１.ＮａｔｉｏｎａｌＭａｒｉｎｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２３，Ｃｈｉｎａ;２.ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｓｔａｌａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗａｖｅｉｍｐａｃｔｉｎｂｏｄｙｗａｔｅｒ-ｅｎｔｒ

4、ｙｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｆｒｅｅｆａｌｌｉｎｇｗｅｄｇｅｗａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙｃａｓｅｓａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ(ＶＯＦ)ｍｅｔｈｏｄａｎｄｕｓｅｒ-ｄｅｆｉｎｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓ.Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｐｕｓｈ-ｗａｖｅｐｌａｔｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗｉｔｈｓｐｏｎｇｅｌａｙｅｒｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｗａｖｅｆｌｕｍｅｗａｓｂｕｉｌｔ.Ｔｈｅｆｒｅｅｆａｌｌｉｎｇｗｅｄｇｅｉｎｗａｖｅｗａｔｅｒ-ｅ

5、ｎｔｒｙｃａｓｅｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｆｏｒｃｅ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗｅｄｇｅｗｅｒｅｃｏｍｐｕｔｅｄ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｖｅｈｅｉｇｈｔｓ，ｗａｖｅｐｅｒｉｏｄｓａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｎｗｅｄｇｅｗａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙｗａｓａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅａｎｄｂｕｂｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｅｄｇｅｗ

6、ａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙｃａｎｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｂｙｔｈｅｍｏｄｕｌｅ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｖｅｏｎｗｅｄｇｅｗａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙｗａｓｄｅｃｉｄｅｄｂｙｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｉｎｗａｖｅｆｌｕｍｅ，ａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｗａｖｅｆｌｕｍｅｈａｄａｇｒｅａｔｅｒｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｗｅｄｇｅｆｏｒｃｅａｎｄｆｏｒｍａｆｔｅｒｅｎｔｅｒｉｎｇｔｈｅｗａｔｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗｅｄｇｅ;ｗａｖｅ;ｗａｔｅｒ-ｅｎｔｒｙ;ｔｈｅｖｏｌ

7、ｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ(ＶＯＦ)ｍｅｔｈｏｄ;ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ入水问题广泛存在于船舶、航空、水中兵器及仪器下水等研究领域中，物体在入水时不仅涉及较大的冲击压力，也会产生水体飞溅效应，且入水时间短、流场变化剧烈，实验研究的难度较大，随着数值方法对自由液面追踪及动边界处理的逐渐成熟，数值模拟已成为研究入水过程的重要方法，同时由于研究的深入及对入水压力和姿态要求越来越严格，波浪对入水过程的影响已不可忽略。[１][２]数值模拟物体入水的研究较多，如Ｚｈａｏ和Ｚｈｕ均基于势流理论采用边界元方法研究了楔形体的入[３]水问题，但无法

8、刻画入水过程造成的射流影响;Ａｒａｉ采用带自由表面的两相流模拟方法(ＶＯＦ)模拟了二维收稿日期:２０１６-０９-２２基金项目:国家自然科学基金(５１７０９０５４);海洋公益性行业科研专项资助项