starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing




Wave Forcing

上次我們簡單介紹了STAR-CCM+中波浪水池的創建方法,并給出了模擬波浪過程中的網格建議,一般來說對于波浪的捕捉,建議在一個波長范圍內至少保證80-120個網格,在波高方向上至少有10-20個網格,單個網格的長寬比不超過1:8,1:2或者1:4最好。詳細內容請參考:STAR-CCM+中的波浪計算

為了消除邊界上的反射波,在出口處設置了阻尼消波,其距離為1.5~2倍的波長,如此一來整個計算域的長度約為5~6倍的波長以上。通過實例我們發現,過大的計算域會增大網格的數量,不利于計算,而且阻尼消波后波浪衰減現象也比較嚴重。那么:有沒有一種方法既可以消除邊界上的反射波,又可以設置較小的計算域從而減小網格數量呢?

答案是肯定的。STAR-CCM+VOF波區選項中,除了提供阻尼消波外,還提供了另外一種選項——Wave ForcingWave Forcing可以在指定距離內,迫使離散化N-S方程的解趨向于另一種解(比如理論解或簡化數值解),從而使用更小的求解域來減少計算工作量。這種力作用還能消除因逐步力作用的阻尼特性而導致的邊界處表面波反射的相關問題。

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖1






關于網格的劃分方法,在上上篇推文中有詳細的介紹,這里只介紹用Wave Forcing造波時的區別:

  • 計算域:推薦浮體或船前后左右各1.5~2倍波長,可以適當降低。

  • 網格:保證波高方向20層以上網格,一個波長80個網格,自由液面上單個網格的長寬比1214

  • 物理模型:對于大多數工程問題選用Realizable K-Epsilon湍流模型即可。

  • 時間步長:盡量保證自由液面的Courant Number不超過0.3。

  • 邊界條件:Wave Forcing的邊界類型與阻尼消波大不相同,四周(除對稱面外)均為速度入口,設置成波浪的邊界條件,激活Wave Forcing;底部設置成壁面(指實際水底)或速度入口,不激活Wave Forcing;頂部(與大氣相通)設置成壓力出口邊界,不激活Wave Forcing

邊界條件的指定是在Wave Forcing方法模擬波浪時的關鍵,如果不能指定正確的邊界條件,則會出現例如波浪上漂等一系列問題。

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖2

錯誤的邊界條件導致出口發生波浪上漂

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖3

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖4starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖5

正確的邊界條件才能跑出準確的數據




什么都抓不住,毫無依靠,沒人可以連接到,可以和你說說話,可以讓你消除在黑暗中的恐懼。

下面通過一個實例具體介紹Wave Forcing的創建過程,為了使數據具有對比性,波高和波長均使用上次推文的參數。

計算域:波浪水池的尺寸長度從80m縮小到30m,高度和寬度不變,為20m,自由液面距離頂部8m,底部12m。

網格劃分:基礎尺寸0.75m,自由液面Z方向的網格尺寸為基礎尺寸的3.125%,XY方向為12.5%,網格總數為300萬。

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖6

物理模型:

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖7

波幅0.35m,波長10m,只造波不造流。

邊界條件:進口、出口、兩側、底部為速度進口,體積分數為復合,空氣相和水相分別為一階波的輕/重流體體積分數,速度設置為一階波的速度,區域>物理條件節點下,VOF波區選項選擇力,物理值節點下的VOF波力長度設置為15m1.5~2倍的波長),VOF波指定選擇一階VOF波,進口、出口、兩側均激活,底部不激活;頂部為壓力出口,體積分數同上,壓力設置為一階波的靜壓,不激活Wave Forcing

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖8


網格劃分:基礎尺寸0.75m,自由液面Z方向的網格尺寸為基礎尺寸的3.125%,XY方向為12.5%,網格總數為300萬。

時間步長0.01s,最大物理時間10s,約4個波周期。

計算結果:

自由液面處的波形:

111.png

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖10

氣液兩相圖:

22.png


在水池中心設置一浪高儀,監測該點的波高變化,創建浪高儀的思路是:首先在x的法向上建立一個平面截面,在從這個平面的Y的法向上截取一條線。具體方法為:右鍵單擊衍生零部件,選擇新建>截面>平面,輸入零部件選擇整個區域(tank),法向設置為[100],然后再新建一個截面,輸入零部件選擇剛剛創立的截面,法向設置為[0,10]。

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖12

starccm+阻尼消波:STAR-CCM+中的Wave Forcing的圖13

上圖中,紅色線為計算波高,綠色線為理論波高。同理論值相比,計算值并沒有出現波浪衰減現象,而且波形也比較吻合。計算得到的波高仍為0.7m,但是波幅的最大值和最小值均提高了約0.05m


今天的內容就到這里。最近在忙著做實驗,推文來的稍微遲了一些,見諒見諒~~歡迎大家在留言區里評論留言。





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