摘 要

波浪是海洋中一种较为普遍的运动形式，而当波浪传播到近岸带时，波浪往往会发生破碎等变形，波浪破碎所产生的能量往往会对近岸建筑物造成影响，所以分析波浪破碎特性就显得尤为重要。本文将通过计算流体力学软件FLUENT来进行斜坡平台上波浪破碎特性的数值分析相关研究，并对计算结果进行分析。最后所得结果对于研究斜坡上波浪破碎特性具有重要的指导意义。

论文主要使用的FLUENT中的方法有二相流VOF模型，PISO算法，以及运用UDF编程来实现推板造波和阻尼消波，来建立合适的二维数值波浪水槽。然后通过空水槽实例来验证所建立波浪水槽的可靠性和有效性。最后，将建好的二维数值波浪水槽运用到斜坡平台的几何模型上，研究波浪在斜坡平台上的变形特性。而通过对实验结果的详细分析，进一步得到斜坡平台上波浪破碎区区域内，波浪的自由面变化特征、流场矢量结构和漩涡生成机理，并与前人所做的物理实验数据进行对比分析。

最终研究结果表明，本文很好的完成了数值波浪水槽的建立，所建水槽能够很好的产生历史很长且稳定的波场，而在斜坡平台波浪破碎数值模拟分析中，本文所建立的数值波浪水槽通过实验证明了其可以准确的模拟波浪在斜坡平台上的破碎特性，也说明了本文所建立的模型能够较好的模拟实际情况的水动力特性。

关键词：FLUENT；数值波浪水槽；造波方法；斜坡平台

Abstract

Wave is a common form of movement in the Ocean. When the waves spread to the off-shore, wave maybe break and generate energy which will affect the buildings. So it is particularly important to analyze the characteristics of wave breaking. We will use the CFD software FLUENT to carry out research on the numerical analysis of wave breaking characteristics on slope platforms, and analyze the results in this paper. It will play an important role in studying the wave breaking characteristics on slopes.

FLUENT，which is based on two-phase VOF model and PISO method is adopted to solve problem in this paper. Then, wave is generated by UDF function and unwanted wave is eliminated in two-dimensional numerical wave flume. Finally, the constructed two-dimensional numerical wave flume is applied to the geometric model of the slope platform to study the deformation characteristics of the wave on the slope platform. Through the detailed analysis of the experimental results, the characteristics of the free surface change of the wave, the vector structure of the flow field and the vortex generation mechanism in the wave breaking area on the slope platform are further obtained, and compared with the previous physical experiment data.

The result shows, the numerical wave flume developed in this study can generate linear regular wave and obtain stable wave field. And for the platform , The numerical wave flume, which is established in this paper, proves through experiments that it can accurately simulate the breaking characteristics of waves on the slope platform, and also shows that the model established in this paper can simulate the hydrodynamic characteristics of the actual situation better.

Key Words：FLUENT；numerical wave flume; wave-generating method；platform with slope

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究概况 1

1.2.1 波浪变形理论的研究概况 1

1.2.2 波浪变形物理实验的研究概况 2

1.2.3 波浪变形的数值模拟研究概况 3

1.3 本文的研究工作 5

第二章 造波、消波及相关波浪理论简介 6

2.1 造波和消波 6

2.1.1 推板式造波 6

2.1.2 阻尼式消波 7

2.2 波浪理论 8

2.2.1 微幅波理论 8

2.2.2 有限振幅波理论（Stokes波理论） 8

2.3 本章小结 10

第三章 基于FLUENT的二维波浪数值模型研究 11

3.1 FLUENT简介 11

3.2 数值波浪水槽的建立 13

3.2.1 模型的建立与网格划分 13

3.2.2 造波边界的选择与建立 14

3.2.3 消浪边界的选择与建立 15

3.2.4 求解器的设置 15

3.3 数值波浪水槽的验证 15

3.4 小结 18

第四章 数值波浪水槽在斜坡平台上的应用 19

4.1 模型的相关设置 19

4.2 结果与分析 20

4.2.1 自由面的变化分析 20

4.2.2 破碎过程中的流速分布 23

4.3 小结 25

第五章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

海洋资源对于人类来说十分的重要，随着人类科学技术的发展，人类与海洋的接触开始越发频繁，海洋虽然拥有诱人的丰富资源，但其带来的海啸、地震等灾害也不能忽视，而波浪作为海洋影响人类的重要媒介，研究它就可以帮助我们更好的减少海洋带来的负面影响。

波浪，是海洋中最常见的运动形式，其发生主要是由于海水受海风的作用和气压变化等影响，促使它离开原来的平衡位置，发生不同方向运动^[1]，这也是本文所要主要研究的对象。而波浪与人类所建造的结构物碰撞时，就会发生破碎，波浪破碎时，其波要素、波动力和波能量的情况十分复杂。而根据前人的研究波浪破碎根据形态可分为卷破（plunging breaker）、崩破（spilling breaker）及激破（surging breaker）。其中卷破波是波峰前陡后坦，空气被卷入水体中，波峰卷跃破碎；崩破是波峰顶部出现浪花并逐渐扩大，最终导致波浪部分破碎，整体对称性保持不变；激波是波峰变陡后其下部开始出现浪花并扩大到整个锋面，激散破碎^[2]。

而在近岸带，波浪与近岸结构的相互作用非常频繁，因此破碎所产生的能量，可能会不断积累，最后对结构物的稳定造成影响。而近年来随着海洋环境的恶化，波浪对近岸结构建筑物的影响逐渐怎大，所以如何处理好波浪与近岸结构物之间的关系，是保障安全和经济效益的重中之重，因此研究波浪与近岸结构的作用便显得十分的重要。