交错曲线网格SIMPLE-BFC-VOF算法在波浪数值模拟中的应用

"交错曲线网格的波浪数值计算模型用于更精确地模拟复杂建筑物周围的流场特性和结构物受力，通过SIMPLE-BFC-VOF算法实现。该算法在贴体曲线坐标系下对二维不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程进行差分求解，使用笛卡尔速度分量作为变量，转化的VOF方法追踪自由面，转化的SIMPLE算法修正速度场。交错网格布局避免了压力场的非真实解。计算结果与规范值比较证明模型的有效性。关键词包括交错网格、SIMPLE-BFC-VOF算法、弧形防浪墙和防波堤。" 交错曲线网格的波浪数值计算模型是一种先进的计算方法，旨在解决传统矩形网格在处理波浪与复杂建筑物相互作用时的局限性。矩形网格通常采用阶梯近似，这在模拟流场细节和结构受力时可能不够精确。该模型由李雪艳、任冰和王永学提出，他们来自大连理工大学的海岸和近海工程国家重点实验室。 SIMPLE-BFC-VOF算法是该模型的核心，它在贴体曲线坐标系下工作，能更好地适应不规则流场区域和多样化建筑物形状。这种坐标系包含笛卡尔坐标和曲线坐标，允许在复杂边界条件下进行数值模拟。笛卡尔速度分量被用作求解变量，而自由面则通过转化的体积-of-fluid (VOF) 方法进行追踪，确保了自由表面的精确捕捉。同时，通过转化的SIMPLE算法，模型能够有效地修正速度场，提高计算的准确度。 交错网格变量布置是另一个关键特点，它有助于避免在压力场计算中出现非真实的解。这种网格布局方式在处理物理现象时更为合理，尤其是在涉及波浪与结构物相互作用的场景中。 模型的实际应用体现在对带有弧形防浪墙的防波堤进行点压力计算，并将结果与规范值进行对比，验证了模型的可行性和准确性。这种方法对于海洋工程、海岸防护设计和波浪动力学研究具有重要价值，因为它提供了更精确的流场和结构响应分析工具。 在波浪数值计算领域，有限差分方法（FDM）是常用的技术之一。然而，FDM对网格质量有严格要求，而交错曲线网格的引入解决了这一问题，特别是在处理非规则区域和复杂几何形状时。早期的研究，如Thompson et al. (1977)提出的贴体坐标系方法，以及后续的C.R. Maliska，G.D. Raithby (1984)，W. Shyy，S.S. Tong和S.M. Correa (1985)，以及S. Koshizuka, Y. Oka and S. Kondo (1990)的工作，为交错网格在流体模拟中的应用奠定了基础。 交错曲线网格的波浪数值计算模型通过SIMPLE-BFC-VOF算法提供了一种有效且精确的工具，用于模拟复杂环境下的波浪与结构物的相互作用，对于海洋工程和相关领域的研究具有重要意义。