多周期稳定数值造波的参数设计方法

吕磊; 陈作钢

doi:10.19693/j.issn.1673-3185.02162

多周期稳定数值造波的参数设计方法

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02162

吕磊^{1, 3,},
陈作钢^{1, 2, 3, ,}

1.
上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240
2.
高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240
3.
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240

详细信息

作者简介:
吕磊，男，1995年生，硕士生。研究方向：计算流体力学。E-mail：earthsea@foxmail.com

陈作钢，男，1967年生，博士，研究员。研究方向：计算流体力学，船舶水动力学，风洞循环水槽的研发与应用。E-mail：zgchen@sjtu.edu.cn

通信作者:
陈作钢

中图分类号: U661.32
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出版历程
- 收稿日期: 2020-10-30
- 修回日期: 2021-02-06
- 网络出版日期: 2022-02-26
- 刊出日期: 2022-03-02

Parametric design method for multiple period stable numerical wave-generation

LYU Lei^{1, 3
,},
CHEN Zuogang^{1, 2, 3
, ,}

1.
State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2.
Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China
3.
School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

多周期稳定数值造波的参数设计方法由吕磊，等创作，采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。

摘要

摘要: 目的针对数值模拟中波浪随传播时间和距离发生波幅衰减及相位偏移的问题，提出一套可用于多周期稳定造波的参数设计方法。方法基于Navier-Stokes方程和流体体积（VOF）方法进行五阶Stokes波数值模拟，通过对一维波动方程的离散形式进行分析，研究几个重要参数对造波效果的影响。最后，应用所提参数设计方法对KCS船型在迎浪中的阻力和运动响应进行三维数值计算，并与模型实验结果进行比较。结果结果表明，将内迭代次数、网格分辨率、库朗数等参数按照一定规则设置，20个波周期内的波幅误差约5%，40个波周期的约10%。对KCS船型进行的三维数值计算结果与模型实验结果相比误差约10%。结论经此研究，验证了所提方法的可行性。
- 数值造波 /
- Navier-Stokes方程 /
- 流体体积方法 /
- KCS /
- 波浪增阻
Abstract: Objective To address the problem of wave amplitude attenuation and phase shift with respect to propagation time and distance in numerical simulation, a set of parametric design methods that can stabilize wave generation in multiple periods is given. Methods Based on Navier-Stokes equations and volume of fluid (VOF) method, a numerical simulation of fifth-order Stokes wave is carried out. Through the analysis of the discrete scheme of the one-dimensional wave equation, the influence of several important parameters on wave-generation effect is studied. Finally, the proposed parametric design method is used to carry out the three-dimensional numerical calculation of the resistance and motion response of the KRISO container ship (KCS) in head seas. Results The results show that parameters such as inner iteration times, grid resolution, and Courant number can be accurately set according to certain rules to ensure that the error of wave amplitude is about 5% within 20 wave periods and about 10% within 40 wave periods. Through the three-dimensional numerical calculation of a KCS ship, the results obtained show an error of about 10% compared with the experimental results of model, Conclusion which verifies the feasibility of this method.
- numerical wave generation /
- Navier-Stokes equations /
- volume of fluid method /
- KCS /
- added resistance

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图 1 计算域设置示意图

Figure 1. Schematic view of computational domain setting

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图 2 网格加密区示意图

Figure 2. Schematic view of the zones by grid refinement

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图 3 不同内迭代次数对应的误差变化

Figure 3. Error variation corresponding to different inner iteration times

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图 4 不同库朗数对应的误差变化

Figure 4. Error variation corresponding to different Courant numbers

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图 5 波高方向网格数对应的误差变化

Figure 5. Error variation corresponding to the mesh number in the wave height direction

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图 6 e_m与e_p随网格长高比的变化（t=20T，x=8λ）

Figure 6. Variation of e_m and e_p with grid aspect ratio at t=20T and x=8λ

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图 7 e_m与e_p随网格长高比的变化（t= 40T，x=8λ）

Figure 7. Variation of e_m and e_p with grid aspect ratio at t= 40T and x=8λ

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图 8 算例E4.4在x=8λ位置波高随时间变化

Figure 8. Variation of wave height with time at x=8λ in Case E4.4

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图 9 算例E4.4在t=40T时刻波高随空间位置的变化

Figure 9. Variation of wave height with spatial position at t=40T in Case E4.4

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图 10 船体附近网格

Figure 10. Grids near the hull

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图 11 船前一倍L_BP处波高的变化

Figure 11. Variation of wave height at a distance of onefold-L_BP ahead the ship

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图 12 自由液面波形对比

Figure 12. Comparison of wave pattern for free surface

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表 1 对照算例A0的参数设置

Table 1. Parameter setting of Case A0 for comparison

算例编号	波高H/m	波长λ/m	波陡H/λ	内迭代次数n	波高方向网格数N_Z	网格长高比r	总网格数/万	σ
A0	0.16	4	0.04	15	20	4	58 150	0.1

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表 2 B1~B4算例参数设置

Table 2. Parameter setting for Case B1-B4

算例编号	波高 H/m	波长 λ/m	波陡 H/λ	内迭代次数n	波高方向网格数N_z	网格长高比r	总网格数/万	σ
B1				5
B2				8
B3	0.16	4	0.04	10	20	4	58 150	0.1
A0				15
B4				20

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表 3 C1~C4算例参数设置

Table 3. Parameter setting for Case C1-C4

算例编号	波高 H/m	波长 λ/m	波陡 H/λ	内迭代次数n	波高方向网格数N_z	网格长高比r	总网格数/万	σ
A0								0.1
C1								0.2
C2	0.16	4	0.04	15	20	4	58 150	0.3
C3								0.4
C4								0.5

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表 4 波高方向网格数影响算例参数设置

Table 4. Parameter setting of cases with different mesh number in the wave height

算例编号	波高 H/m	波长 λ/m	波陡 H/λ	内迭代次数n	波高方向网格数N_z	网格长高比r	总网格数/万	σ
D1	0.16	4	0.04	15	10	4	17 850	0.1
D2					16		36 650
A0					20		58 150
D3					25		84 950
D4					32		131 400

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表 5 不同网格长高比算例参数设置

Table 5. Parameter setting for cases with different mesh aspect ratios

算例编号	波高 H/m	波长 λ/m	波陡 H/λ	内迭代次数n	波高方向网格数N_z	网格长高比r	总网格数/万	σ
E1.4	0.04	4	0.01	15	20	4	402 130	0.1
E1.8						8	213 980
E1.9						16	125 420
E2.4	0.08	4	0.02	15	20	4	200 810	0.1
E2.8						8	112 906
E2.16						16	65 552
E3.2	0.12	4	0.03	15	20	2	128 754	0.1
E3.4						4	69 176
E3.8						8	41 482
E3.16						16	24 060
E4.2	0.16	4	0.04	15	20	2	103 886	0.1
E4.4						4	58 140
E4.8						8	33 176
E4.16						16	19 662
E5.1	0.20	4	0.05	15	20	1	161 660	0.1
E5.2						2	85 168
E5.4						4	45 076
E5.8						8	24 960
E5.16						16	14 422
E6.1	0.24	4	0.06	15	20	1	127 082	0.1
E6.2						2	66 568
E6.4						4	35 292
E6.8						8	19 666
E7.1	0.28	4	0.07	15	20	1	112 634	0.1
E7.2						2	58 340
E7.4						4	31 612

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表 6 CFD与EFD计算结果对比

Table 6. Comparison of calculation results by CFD and EFD

	EFD	CFD	误差/%
TF₃	0.055	0.053	−4.033
TF₅	0.038	0.034	−10.484
σ_aw	2.725	2.577	−5.416

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参考文献(10)

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