2013年1月机床与液压Jall．2013
第41卷第1期MACHINE TOOL&HYDRAUUCS V01．41 No．1 DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．01．038
王匀，李炳男，许桢英，张永康
(江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013)
摘要：在分析现有波浪水槽模拟方法的基础上，提出一种基于FLUENT求解器的在计算波浪水槽时用于消波区的自 定义能量函数，并将其应用于计算三维波浪水槽中。通过在求解器中加入该能量函数，并将其结果与实验结果进行对
比，出了最佳的能量函数中的变量系数，达到优化三维波浪水槽的目的。 关键词：三维波浪水槽；VOF方法；N-S方程；能量函数；消波系数中图分类号：
Tvl39．2 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2013)1一134—
3
Improved3-D Tanl【舢印rimm B嬲ed on FLUENT
WANG Yun，u Bin弘粕，xU zh enyin g，Z HANG YongkaIlg
(School of Mech锄ical Engineering，Ji趾gsu UniVers畸，zhenjiang Jiangsu 212013，China) Abs喇：By蚰alyziIlg tlle商sting w盯e t a l lk simulati∞metllod，明ener影functi∞used in tIle wave abs叫陋∞ar∞was0f-fe re d w he n using FL U N E T to simlllate tll e 3一D tank．ne ene叼function w鹊p ut into t lIe FL U E N T solver，肌d tlIe瑚ults were c啪-paDed访tIl ex p e r i m en t a l re sul协．r11le叩timal wave ane加砒ion coemcient of energy铀ction w鹊d ec i de d thmugll tl le c伽lpam．Tllis m et l l od c舳be used to opliIIlize tlle3-D tal[1l【pe如cny，锄d tll e s i mu la t io n r；es uh is si I I l i l盯w i t l l ex p e r ie n c e resuh．
Key删陆：3-D taIlk；VOF m e th od；N-S eq I l a ti o n；E n e r g y fIIIlcti∞；Wave ane肌ation coe mc ie I It
在海洋和海岸港口工程中，船舶和海洋结构物的求与物理模型试验相互印证的波浪数值模拟，通常采
部分试验研究需要在波浪水槽中进行。随着数值计算用推板法造波。当然由于推板的移动，水池面积周期
方法和硬件的发展进步，采用计算机模拟波浪水槽的性变化而带来的液面变化会产生干扰波，其稳定性有
方法研究波浪传播及其对船舶和海洋结构物的影响已待提高。关于消波区的问题，很多人都提出了利用消
变得越来越普遍。国、内外学者针对数值波浪水槽的波函数来对进入消波区的波进行削弱，但是各个消波
相关研究主要集中在波浪的运动特征和形态、波浪对函数有各自的最佳消波系数与之相配，人们并没有给
结构物的作用和造波模式等方面，并取得了一定的成出各个消波函数的最佳消波系数。
果。在波浪数值模拟方面，通常采用的方程包括：基作者采用推板法造波，以N-s方程为控制方程，
于势流理论的Laplace方程、综合考虑折射和绕流的采用VOF法构建自由表面，应用FLUENT求解器
建缓坡方程、Boussinesq方程和N．S方程等u。’。由于立三维数值波浪水槽模型。在模型中加入了改进的消
某些方程对流体黏性或忽略不计，或以能量耗散项的波模型，并根据相应的消波模型进行消波系数的最优 形式计人，在海浪模拟方面存在一定的失真。而采用化选择。黏性流体运动的N—s方程进行建模和分析，
可以完全 1 数学模型
考虑流体的运动规律，更好地模拟海浪的运动哺】。1．1质量守恒方程
对于波浪模拟的造波形式分为：wEI提出的基连续性方程的含义是包含在一流体系统中的流
体于Boussinesq模型的源函数造波法¨1；uN提出的基质量在运动过程中保持不变。或者说，在一固定
愉悦与痛苦空间于N—S方程的质量源函数造波法¨。；梁修锋等建立的中的流体质量的减少率等于在此期间通过其表
面的质通过纯推边界条件造波的数值波浪水池，以模拟规则量通量。前者针对系统，后者针对控制体。将
此定律波作用下固定式FPS0甲板的上浪情况一1。虽然，源作为数学表达式——连续性方程¨叫
函数法可控性强、能较好地模拟规则波，但很难与实塑+业丝+业立+弛越：o(1)
际水池中的波浪物理模型试验相结合。目前，对于要
收稿日期：2011一12—02 基金项目：江苏省自然科学基金(BK2010042)；国家自然科学基金(50975126)；江苏省“青
蓝工程”人才基金(苏教师
[2008]30号)；江苏省“333工程”科研项目(Bm也011180)
作者简介：王匀(1975一)，男，博士(后)，副教授，主要从事计算机开发工程、机械工程。E一·nail：w蚰gyun@ ujs．edu．cn。
万方数据
第1期王匀等：一种改进的基于nJUENT的三维波浪水槽模拟方法式甲：Jp为流体阴徭发；u力x万l可速度分重；t，为，，改写其动量方程为
方向速度分量；埘为z方向速度分量。N—S方程可以
比较准确地描述实际的流体运动。詈+n警+∞老=一吉罢+秒【等+窘】一眇瓦籼石+∞瓦
2一了高椰【≯十虿j一眇
1．2动量守恒方程(8)采用常黏度不可压缩流体的动量方程(N—s方其中：肛为消波系数；M为该处菇方向速度分量。
当程)，可以比较准确地描述实际的流体运动，其在菇、波传播到消波区后，每迭代一次，波的能量方程减去，，、。方向上方程分别为一个肚，这样迭代乃次后达到消波目的。
求解器求解时，———咂塑曼p(詈+u罢+移考+埘警)=pt一詈+p I瓦+u瓦栅瓦+埘瓦J2矿：一翥+分别求解上面的连
分别求解连续方程、动量方程、能量方程
pf拿+等+警1p【孑+矿+孑J(2)(2)
程，最后得到全部方匝回
续、动量、能量方●p(詈+“妾+移考+埘詈)=pL一等+p Ii+“磊枷面+埘瓦J2矿j一荔+程的解，在求解附带匝壅习
的标量方程时，比如
堕，<=：五}、羔．ri：：]
pf耄+警+警1p【蟊+孑+≯J(3)(3) 计算湍流模型和消波
方程时，都是采用单图1计算流程图p(詈+u等+t，等+埘警)=pt一考+p I瓦栅瓦蜘瓦+埘iJ2矿。z一蓄+独求解的方式，即先
求解控制方程，再求解湍流模型方程和消波方程。如
p(警+挚+警)c4，图1所示。
1．3湍流模型
2消波系数选择
文中的湍流模型选择矗一8模型，其中湍动能为
通过建立100 m×6m×6m的波浪水槽，应
用
I|}，耗散能为占，其计算方程为
FLuENT求解器建立三维数值波浪水槽模型。通过
设置不同的消波系数弘，得到不同的模拟数据。将模拟
p警=毒[(p+尝)差】+G-+G“一胪一k c5，数据与实验结果进行对比，以确定最佳的消波系数。
将消波区设置长度为20 m，监测水池的第20、
p誓=毒【(p+瓮)簧】+c-。詈cGt+c，。G“，一40、70、80m的液位变化，并将其数据与实验结果
2 进行对比。消波系数肛分别选取为100、10、1、0．1、
咖}(6) o．ol。图2、3、4分别为各个消波系数下的40、70、
式中：G。为由平均速度梯度产生的湍流动能；G。为80m液位处的波峰连线以及该位置处的实验结果
数由浮力影响产生的湍流动能；yM为湍流脉动膨胀对据。
3．55
总耗散率的影响；湍流黏性系数肌=pq||}2店。餐饮业会计核算
3．50
1．4 自由面追踪方程3．45
3．40
由于流体的连续性，可将流体视为由无数单元组墨3．35
轻纺城成的连续介质，流体的各物理量均可用空间坐标和时3．30
间函数加以描述。通过VOF模型计算各个相之间每3．25
个单元体积分数的连续方程，就可监测多相混合流体3．20
15 20 2530354045
我和你加在一起的自由表面。其连续方程为
f，s
鲁枷。％。=詈+善(吒一心)(7) 图2
3．55
式中：m。为从p相输送到q相的质量，％=0表示第3．50
g相的Ⅱ单元为空，其中没有流体；口。=l表示该单3．45
中日问题
元完全被流体填充；O<；口。<l表示该单元为自由表目3·40
面单元。毒3．35
3．30
1．5消波模型
3．25
动边界沿菇方向运动方程为算=Asin(伽)，其中3．20
15 20253035 40 45 50
A为推板的最大行程。在消波段的处理上，利用宏tI暑
万方数据
·136·机床与液压第4l卷
3．65
波系数的FLuENT求解器，能够较为准确地模拟三维3．60
波浪，其分析数据较为准确的反映实验情况。为今后3．55
3．50 的波浪模拟中关于消波函数及其消波系数问题，提供
3．4S 了比较准确的依据。
3．40
参考文献：
3．35
【l】GRIuJ s T，sVE NDsEN I A，s u B R A M AN Y A R．B髓∞Il【i n g 3．30
lO 15 20253035 40 45C砒ri蚰粕d C ha m c te r is t i c s五D r s o h ta I y Wav船∞Slop膀
“s
[J]．Jo啪al0f wate刑ay，PoIt，Co鹊tal锄d 0ce观Engi—图4 80m处各个消波系数下的波峰连线ne甜ng，1997，123(3)：102—112．
由图2可以看出：各个消波系数下的波峰连线与【2】沈永明，唐军，郑永红，等．基于抛物型缓坡方程模拟近
对应位置的实验结果比较接近，在造波前期由于液体岸波流场[J]．水利学报，2006，37(3)：301—3cr7．的非
线性因素，出现较大的波动，与实验差距较大，【3】B日I S，NA DA OK A K．A F0咖al D甜vali∞蚰d Nu呲
血al 后期逐渐趋于稳定。M o d eu n g of th e Impmv ed B伽船inesq EqIlatio璐for
VaIying
从图3可以看出：消波系数p=O．1时，与实验Deptll[J]．0c咖Engin∞rillg，1996，23(8)：69l一
704．结果最为接近；随着p的增加，波峰连线逐渐偏离实【4】uN P，uu P L F．A Nume rical s tIldy of B弛∞Iking
waves in 验结果，并且波峰跳动加剧；消波系数弘=0．01时，tlle S uI f 2知1e[J]．Jo呦al ofnIlid M e c h a正c s，1998，
359：
波峰连线也与实验结果有较大的差距，并且出现较大239—264．
的波动性，波峰曲线类似于弘=1时的情形。【5】DONG c M，H uA N G c J．Ge ne瑚舡∞锄d P I t Ip a g a do n of
Wat盱W挑s iIl a．11wo．djm蜘si彻d Num商cal Vi∞帆8从图4也得出了与图3一致的结论，并且波峰的
三大改造Wave nme[J]．Joumal 0f wateⅣay，P吼，co∞tal，蛐d
跳动更为剧烈。
从以上3幅图中可以得出：在远离消波区的地
0c锄EngineeIiIlg，2004，130(3)：143—153．
方，各个消波系数下的波峰连线图与实验结果差距不【6】董志，詹杰民．基于vcIF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究[J]．水动力学研究与进展，2啷，24
大，波峰变化不是特别明显。越接近消波区，波峰波
(1)：15—24．
动越剧烈，并且消波系数肛=O．1时，与实验结果最
【7】wrEI G，KIRBY J T，S I N HA A．Ge ne ra60n of wave8in 为接近；随着p的增加或减小，波
峰连线逐渐偏离实
B伽鹪in骼q Models using a S0urce Fumd∞M讪od[J]．
验结果，并且波峰跳动加剧。得出消波系数p=0．1
C o鹪ta l ErlgineeIing，1999，36(4)：27l一299．时，模拟
的波浪水槽最接近实验结果的结论。【8】uN
P，uu P L
F．Im唧alⅥrave-maker fbr Na访鸭-stokes
3结论EqII鲥哪Madds[J]．Jo岫al0f Wa衙啪y，POIt，C 嘲tal
提出了一种基于FLuENT求解器的在计算波浪水蚰d0c啪Engi眦她，1999，125(4)：207—217．
槽时用于消波区的自定义能量函数，并将其应用于计【9】梁修锋，杨建民，李欣．隅O甲板上浪的数值模拟[J]．算三维波浪水槽。通过在求解器中加入该能量函数，水动力学研究与进展，2007，22(2)：229—236．并且通过与实验结果进行对比，出了最佳的函数中【10】周光垌，严宗毅，许
世雄．流体力学[M]．北京：高等教的变量系数。结果表明：加入该能量函数及其最佳消育出版社，2001．
(上接第127页) 主轴箱位置的影响较大。
4结论参考文献：
对大型落地式镗铣床TKS6916进行了静力和动【1】杨浩，秦萍，李柏林，等．基于ANSYs的落地式镗铣床模力分析，结论如下：态分析[J]．机床与液压，2010，38(9)：91—93．
(1)从静力分析结果来看，机床的变形是由床【2】陈施光，赵宏林，吴智恒，等．xK713数控镗铣床整机
静
身自重以及滑座与立柱间联接螺栓的预紧力两个载荷动态特性分析[J]．机床与液压，2010，38(23)：111—
113．
效应叠加而成；其最大应力值仅为67．9 MPa，远低
【3】吕建法，闫兵，李柏林，等．1x6916镗铣床主轴模态分析于Hrl300的屈服极限，这一分析结果说明机床的材
及其动态性能试验[J]．机械设计，2010，27(5)：45—
料使用是足够安全的。
48．
(2)从动力分析结果来看，前5阶模态与立柱【4】韩江，杨牧原，季晗．大型数控落地式镗铣床立柱的有限和油缸直接相关，因此在设计中需要加强刚度；立柱元分析[J]．冷加工·通用机械，2009(4)：1—3．沿菇向倾倒、沿z向倾倒，以及绕)，向扭转这3阶模【5】韩江，孟超，姚银鸽．大型数控落地式镗铣床主轴箱的有态不会随主轴箱位置的变化而变化，而油缸的模态受限元分析[J]．工艺与装备，2009(10)：82—84．
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