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本案例利用Fluent中的VOF模型，對(duì)帶結(jié)構(gòu)物的階梯水槽波浪問題進(jìn)行了仿真計(jì)算。 該案例比較簡單，屬于Fluent VOF波浪造波問題的一個(gè)延伸，模擬近岸區(qū)域的橋墩受波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力仿真問題。 1 前處理設(shè)置采用scdm軟件對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

不同波高對(duì)應(yīng)對(duì)的鋼樁受力也不同，波浪入射角度和周期相同的情況下，波高越大，鋼樁力越大；波浪入射角度和波高相同的情況下，鋼樁受力隨周期的增大而先增大后減小，在周期為10s左右時(shí)，鋼樁受力最大，可能是由于波浪周期為10時(shí)與船體的固有周期接近或者相等，發(fā)生共振引起的。

<p>本案例利用Fluent中的VOF模型，對(duì)波浪問題進(jìn)行了仿真計(jì)算。</p><p>該案例比較簡單，但通過該案例可延伸到潰壩、泄洪，海洋平臺(tái)浮動(dòng)等較為復(fù)雜的仿真問題。</p><p><strong>1 前處理設(shè)置</strong></p><p>采用了Fluent meshing進(jìn)行前處理，采用多面體的方法對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

使用 Ansys Fluent 執(zhí)行船體在逆海波浪中移動(dòng)的升沉和縱搖仿真示例。流體體積或 VOF 模型用于求解此明渠流動(dòng)示例。在此示例中，使用明渠波浪邊界條件生成淺層波浪，而使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格對(duì) wigley 船體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模。使用用戶定義函數(shù) (UDF) 將運(yùn)動(dòng)限制為 4 個(gè)自由度 (DOF)。為了避免出口處的數(shù)值反射（非物理結(jié)果/波浪反射），使用了數(shù)值海灘選項(xiàng)。

這些構(gòu)筑物在使用期間不可避免地與周圍的復(fù)雜海洋環(huán)境相互作用，這包括波浪作用、風(fēng)作用、地震作用及海洋生物的棲息等等。其中，波浪對(duì)構(gòu)筑物及下覆海床的影響尤為常見且重要。在波浪作用下，構(gòu)筑物會(huì)受到波浪力、浮力、沖擊力和繞流力等荷載，這些作用力與構(gòu)筑物的穩(wěn)定性與安全性息息相關(guān)。

1.2 輻射繞射理論繞射力是指浮體對(duì)入射波的反作用力，輻射力是因浮體本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪從而使物體受到的力[15]。波浪在遇到障礙物阻隔后會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的繞射現(xiàn)象，而浮體在發(fā)生橫搖等運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)參數(shù)復(fù)雜的輻射現(xiàn)象。

波浪探頭位于柱前1.5米處；兩個(gè)隨機(jī)事件。圖8. 預(yù)測(cè)的高程和氣隙與測(cè)量值的對(duì)比（半浮式）。波浪探頭編號(hào)1（上面兩個(gè)圖）和8（下面兩個(gè)圖）。四、一個(gè)簡化的甲板波浪載荷模型本文開發(fā)了一種簡化的方法，用于求解海上結(jié)構(gòu)甲板下由于波浪傳播引起的水沖擊力。

VOF模型：直接追蹤相界面，用于模擬自由表面流/分層流的流動(dòng)，如：容器內(nèi)液面震蕩、波浪的沖擊、堰流、噴注破碎等；FLUENT中引入的造波模型，可定義淺水波到較深的水波，包括一階波到五階波等非線性波，用戶可輸入不同的波形；歐拉模型：對(duì)每一相求解動(dòng)量方程和連續(xù)性方程，并通過相間作用力來實(shí)現(xiàn)相間耦合，能夠求解相間的曳力、升力、虛擬質(zhì)量力、湍流耗散力、相間傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等，能夠有效的模擬多相分離與相間混合

OWC裝置與海上風(fēng)力發(fā)電裝置相結(jié)合方面, REN等[41]提出了一種將單樁式風(fēng)力渦輪機(jī)和OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置相結(jié)合的設(shè)計(jì), 通過仿真計(jì)算得出裝置波功率特性和OWC的最大PTO阻尼力。ZHOU等[42]研究發(fā)現(xiàn)OWC裝置的引入可以顯著降低單樁海上風(fēng)力渦輪機(jī)的水平力和傾覆力矩, 并且在共振時(shí)波浪波高對(duì)OWC效率有顯著影響。

(4) 不規(guī)則波浪采用P-M波譜.(5) 時(shí)間步長為0.1 s.海上移動(dòng)平臺(tái)拖航過程中的波浪阻力可按其在波浪中遭受的二階平均漂移力確定[4].表7為勢(shì)流計(jì)算結(jié)果.

圖5為波浪對(duì)頂部甲板的GBS水平和垂直力的影響。力的急遽增加對(duì)應(yīng)于波浪對(duì)GBS前端的初始沖擊和對(duì)甲板頂部的二次沖擊，如圖4所示。圖4：波浪對(duì)GBS的影響圖5：由于波浪對(duì)甲板的沖擊而產(chǎn)生的GBS受力歷史

這些升力主要是由于初級(jí)相流場(chǎng)中的速度梯度作用在粒子上。對(duì)于較大的顆粒，升力將更為顯著，但是ANSYS Fluent模型假設(shè)顆粒直徑遠(yuǎn)小于顆粒間的間距。因此，包含升力不適用于緊密堆積的顆粒或非常小的顆粒。升力系數(shù)模型Fluent在公式17–254中提供了多種升力系數(shù)模型。以下各節(jié)將介紹這些模型。

2002 年，Lin 等 [104] 研究了采用可控艉壓浪板設(shè)計(jì)來減小圓舭船在波浪中的垂向運(yùn)動(dòng)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上選用可振動(dòng)艉壓浪板代替可控艉板，測(cè)量了其對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)的減搖效果。模型試驗(yàn)表明：如果能在波浪擾動(dòng)和艉板恢復(fù)力之間建立合適的相位，使用振動(dòng)翼可以很好地減小縱搖運(yùn)動(dòng)。

基于三維勢(shì)流理論計(jì)算浮式基礎(chǔ)的水動(dòng)力系數(shù),包括靜水恢復(fù)力系數(shù)、附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)以及一階和二階波浪載荷傳遞函數(shù),其中0°入射方向下一階波浪載荷傳遞函數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖3 浮式基礎(chǔ)水動(dòng)力模型圖4 波浪入射方向?yàn)?°時(shí)的一階波浪載荷傳遞函數(shù)動(dòng)力響應(yīng)分析 建立海上浮式風(fēng)力機(jī)數(shù)值仿真模型,計(jì)算極端停機(jī)工況下浮式風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。環(huán)境載荷方向的定義如圖5所示。

將浮體所受波浪力分成3種力，即入射、繞射和輻射，而入射波浪力與繞射波浪力構(gòu)成波浪激勵(lì)力。通過所得輻射勢(shì)和繞射勢(shì)，求解浮體的波浪力，進(jìn)而建立浮體的頻域運(yùn)動(dòng)方程，見式（3）。 式（3）中：m為浮體質(zhì)量；λa為額外阻尼系數(shù)；μij為附加質(zhì)量；λij為輻射阻尼；K為靜水回復(fù)系數(shù)；Ka為額外剛度系數(shù)；xi為浮體的位移；F為波浪激勵(lì)力。

本案例基于Fluent深度還原帆船航行場(chǎng)景，攻克兩大技術(shù)壁壘：動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)精準(zhǔn)模擬船體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)格拓?fù)渥兓苊庖騽×易冃螌?dǎo)致的求解發(fā)散；多相流VOF模型精確捕捉船體-波浪-空氣的交互細(xì)節(jié)，如興波阻力、飛濺流場(chǎng)及尾部渦旋，需平衡相間界面捕捉精度與計(jì)算穩(wěn)定性。

計(jì)算完成后可選擇任何一個(gè)之前設(shè)置的Design Point并查看升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升力、阻力等結(jié)果。點(diǎn)擊左側(cè)outline里的Plots，通過設(shè)置等值cut面的法向和位置，以及要繪制的參數(shù)和哪個(gè)Design Point，可繪制2D線圖。