基于FLUENT的海洋畸形波數值模擬研究

黃友龍　胡金鵬　劉師輝

摘要：近年來，由畸形波引起的海上船只遇難事件相繼被報道，其越來越引起人們的關注，已成為船舶與海洋工程領域的一大熱點。借助高效的相位調制畸形波模擬方法，基于FLUENT強大的建模功能和二次開發功能，建立可定時定點再現海洋實測畸形波現象的波浪數值水槽，通過對數值計算結果的時域統計分析和頻域譜分析，發現數值結果不僅在波浪歷時上能夠很好地吻合目標波列，而且計算波浪譜也保持了目標譜的真實結構，說明了該畸形波數值水槽的有效性，為進一步研究畸形波與海上結構物之間的相互作用打下了基礎。

關鍵詞：畸形波；數值模擬；波浪譜；相位調制

1.前言

畸形波是一種波高極大，出現和消失都很突然的強非線性波浪。1965年，Draper首次提出了“畸形波”概念，之后隨著海洋工程技術的不斷發展和由畸形波引起的海上船只遇難和工程事故相繼被報道，這種破環力巨大的強非線性波浪越來越得到重視。

對于畸形波的模擬可分為物理模型實驗模擬和數值模擬，由于物理模型實驗存在容易受場地限制、經費限制、比尺效應等缺點，且實驗室研究中畸形波的生成技術還不夠成熟，所以隨著計算機技術的飛速發展，數值模擬得到了越來越多專家學者的青睞。目前，對畸形波的數值模擬方法可分為線性方法和非線性方法：在線性理論方面，海浪可以看作是由大量的具有不同周期和不同隨機初相位的余弦波疊加而成，大量的具有合適相位的余弦波的局部疊加可以產生極端大波；非線性方面的數值模擬主要通過淺水KdV方程、Kp方程，深水非線性薛定愕方程以及完全非線性方程等演化方程來實現。由于非線性方法計算量大，不易工程應用，且很難應用于實驗室模擬造波，而基于LonguetHiggins模型的線性疊加方法能夠定時定點的生成滿足畸形波定義的極端大波，所以成為在實驗室水槽和數值水槽中模擬畸形波的常用手段。

Kribel提出了雙波列疊加模型，即假設畸形波波列由隨機波列和瞬態波列兩部分組成，將能量分為兩部分，一部分用于產生隨機波列，另一部分用于產生瞬態波列；國內裴玉國對雙波列疊加模型的能量配比關系進行了研究，并進一步將瞬態波列分解為兩個瞬態波列，即首先令兩個瞬態波列的聚焦時刻和空間一致，然后再和隨機波列疊加來模擬包含畸形波的波浪序列，稱之為“三波列疊加模型”；趙西增則通過調制聚焦理論來模擬生成畸形波，包括相位角分布范圍調制聚焦模型和部分組成波聚焦模型兩種；劉贊強等總結并分析了上述模型，指出無論是隨機波加瞬態波模型還是調制聚焦模型都存在缺點和不足，最后提出了一種模擬畸形波的相位調制新方法，該方法能更精確、更高效地模擬生成畸形波。因此本文將借助劉贊強等的這種新的理論模型，并基于FLUENT軟件的二次開發，建立數值波浪水槽，通過數值模擬再現畸形波。