圆形波浪水池多向不规则波浪数值模拟方法研究

As the experimental technique has been a main tool to analyze wave forces acting on ocean and coastal structures, the circular wave basin is proposed recently as a wave basin to study wave and ocean structure interactions. However, theories of wave generation method for circular wave basin are not clear, especially, the generation method for random multidirectional waves. Moreover, the numerical studies on circular wave basin are rarely found. Herein, this study aims to investigate the wave generation method of the random multidirectional waves and develop a numerical circular wave basin based on the air-liquid-solid three-phase incompressible flow model. To simulate the oblique and random multidirectional waves in the numerical circular wave basin, the wave source method is used to simulate the serpent wavemakers, and the multidirectional waves are generated by the superposition of oblique waves. The outgoing waves are numerically dissipated in the damping zone located before the outer boundary. In this study, to analyze wave and structure interactions, the numerical model is solved in cylindrical coordinates and a volume fraction method is used to capture the ocean engineering structure with arbitrary shape.

波浪实验模拟技术为海洋工程结构在波浪环境下的力学性能研究提供了技术支持。圆形波浪水池是近年来提出的一种新型海洋工程实验水池，但是，目前关于圆形波浪水池的理论与造波方法刚刚起步，至今没有圆形水池多向不规则波浪生成方法的报道，而且圆形波浪水池数值模型的构建方法鲜有研究。所以，本课题以圆形水池的数值模型开发为研究对象，基于不可压缩流理论，建立圆形波浪水池的气体-液体-固体三相流模型，并进一步发展圆形水池的造波方法，以解决多向不规则波浪的生成问题。模型采用源相造波法模拟圆形多段式造波机，通过叠加多个方向的斜向入射波浪来生成多向不规则波浪，并且沿圆形水池周向布置数值海绵层以消除外出波浪。另外，模型在柱坐标网格体系中采用体积跟踪法模拟建筑物，以解决圆形波浪水池中任意形状建筑物的模拟问题，从而用来研究圆形波浪水池中多向波浪与海洋工程建筑物互相作用规律，最终为圆形波浪水池的理论与技术研究奠定基础。

真实海洋波浪是具有方向的，然而在实验室生成多向波浪或者斜向入射波浪时，传统波浪水池的试验结果受到水池边壁效应的影响，实验的有效范围非常小，在研究多向波浪与结构物互相作用时，结构物的存在会进一步减小水池的有效范围，建筑物受到反射波浪作用，造成试验数据失效。新型的圆形波浪水池可通过在水池周边布置无反射造波机增加试验有效区，然而基于圆形波浪水池的研究较少，而且缺少圆形波浪水池中多向波浪生成的理论及数值实现方法。所以，本课题采用不可压缩流理论，建立了一个圆形波浪水池的气体-液体-固体三相流模型，并在数值模型中，采用源相造波法模拟多段式造波机，并可以通过叠加多个方向的斜向入射波浪来生成多向不规则波浪，发展了圆形水池的造波技术，解决了多向不规则波浪生成的理论方法，此外，模型沿圆形水池周向布置数值海绵层消除外出波浪。.通过数值试验，本课题发现圆形波浪水池可以极大的增大多向波浪的有效区域，而且圆形波浪水池对各方向的波浪具有更好的适应性，可以造出同质量任意方向的波浪，在研究方向波时，具有更大的优势。在研究方向波浪与结构物相互作用时，圆形波浪水池中结构物的反射波浪不会被造波机和水池边壁反射，结构物可以一直位于水池的有效区内，试验结果可靠，较传统水池的优势更为明显。可见，本课题提供一个新型的海洋工程试验技术，一定程度上解决了多向波浪研究模拟的技术难题。.在项目资助下，发表论文4篇，其中SCI/EI论文3篇，CSCD论文1篇，目前在投审稿中CSCD论文1篇，接受待发表国际会议论文1篇。培养研究生两名，目前在读。项目共投入经费18万，支出10.56万，目前剩余7.44万，剩余经费计划用于本课题后续支出。