155、Fluent波浪流动Open Channel Wave案例
文章153、Fluent明渠流动和154、VOF能不能体现静压和水深的关系分别介绍了明渠流动，今天我们在明渠流动的基础之上，进一步介绍波浪流动
1. 波浪流动简介
1. 波浪流动简介
波浪流动是指液体在重力或表面张力等恢复力作用下，自由表面发生起伏并传播波动的流动现象。最常见的就是水面上随风或其它外力形成的波浪。
波浪流动是在明渠流动的基础上发生的，因此具有明渠流动的特征。所以一般进行波浪流动的模拟时，也需要打开Open Channel Flow模型
2. 模型描述
2. 模型描述
我们在文章153明渠流动的基础上进行波浪流动的模拟，因此几何模型和明渠流保持一致
3. 基本设置
3. 基本设置
3.1 导入网格
使用Fluent软件打开Chapter155.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为3D模型，打开Fluent软件时在 Dimension选项中选择3D。在Options中启用双精度(Double Precision)。
选择网格文件时要注意，由于本案例网格文件为msh格式，文件类型需要选择.msh，才能看到网格文件
导入mesh文件后，点击Display，将显示模型
3.2 检查模型尺寸
本案例模型尺寸以m为单位，检查模型尺寸是否与下图一致
3.3 求解器设置
基于压力求解器，瞬态设置，勾选重力，重力方向设置为Z方向，-9.81。
注：波浪运动依靠重力作用，因此必须勾选重力
4. 设置计算模型
4. 设置计算模型
4.1 多相流模型
双击打开多相流模型，勾选VOF模型，同时在VOF Sub-Models下面勾选Open Channel Flow和Open Channel Wave BC。其他设置保持默认
注：为了能够精确捕捉气液界面，VOF格式需要选择Explicit，详细内容可参考文章：151、Fluent VOF模型显式和隐式格式的对比
4.2 湍流模型设置
湍流模型选择 k-ω SST模型，保持默认设置即可
5. 材料设置
5. 材料设置
5.1添加water
双击air，打开空气材料界面，单击Fluent Database
打开Fluent Database界面，找到water-liquid(h2o<l>)，单击Copy即可。
此时材料界面会出现air和water两种材料，材料属性保持默认
5.2 相界面材料设置
回到多相流界面，主相选择air，并命名为air；次相选择water，并命名water
相间相互作用，设置水的表面张力系数为0.072N/m
6. 边界条件设置
6. 边界条件设置
6.1 inlet
Open Channel Wave可以使用速度入口，但明渠流不行。我们将inlet设置为速度入口边界条件
Momentum界面
首选要勾选Open Channel Wave BC，表示开启波浪边界条件。
对于波浪运动，有两种方式指定入口速度，分别是Averaged Flow Specification Method和Segregated Velocity Inputs。
默认是Averaged Flow Specification Method。该方法将移动障碍物和水流的输入参数结合起来。对于空气速度，没有特别的处理，假定其与平均速度相同。
关于这部分内容，后面的文章我们再详细说明。这里我们选择默认的Averaged Flow Specification Method，并将Averaged Flow Velocity Magnitude设置为0
注：Averaged Flow Velocity Magnitude表示流体在无波浪状态下的、平均水平方向的速度。其值为0表示当前波浪是在静水中传播的，波浪速度仍然存在。
Multiphase界面
Free Surface Level表示自由液面高度，即从自由表面到重力方向原点的竖直高度。
Bottom Level指水渠底部距原点的竖直高度，本例水渠底部在原点之下，因此为-1m
Wave BC Options表示波的种类，有三个种类，分别是 Shallow/Intermediate Waves、Short Gravity Waves、Shallow Waves
这三个选项，核心在于回答一个基本问题：计算域中，水深和波长相比是深还是浅？
当水深h与波长λ满足 h/λ > 0.5 时，适用深水波理论（即Short Gravity Waves）
当 h/λ < 0.05 时，适用浅水波理论（即 Shallow Waves）
中间的情况则属于中间水深（即 Shallow/Intermediate Waves）
本例波长λ=3m，水深h=1m，因此h/λ处于中间情况，即Shallow/Intermediate Waves
Wave Modeling Options可以选择使用Wave Theories或者Wave Spectrum模拟波浪。Wave Theories用于模拟规则波；Wave Spectrum用来模拟随机波。本例选择Wave Theories
Wave Theory可以选择First Order Airy (默认)、Second Order Stokes、Third Order Stokes、Fourth Order Stokes和Fifth Order Stokes。无论哪种都需要输入相同的参数，本例选择Fifth Order Stokes
注：Wave Theory的选择可能会存在问题，后面可以用TUI命令检查当前波理论是否合适，如果不合适，可重新调整。
Wave Height波高：是波峰到相邻波谷之间的高度差。本例设置为0.3m
Wave Length波长：是两个相邻过零点之间的距离。本例设置为3m
Phase Difference相位差：描述的是两个相同频率的周期波在时间或空间上的相对偏移程度。
Wave Heading Angle波浪航向角：θ是波阵面方向与参考波传播方向在流动表面平面内的夹角。
6.2 outlet
outlet设置为压力出口，打开界面如下
在Multiphase界面勾选Open Channel后，需要设置明渠流参数，这里与inlet保持一致即可。
6.3 out_free_surface
out_free_surface设置为压力出口，打开界面如下
在Multiphase界面勾选Open Channel后，需要设置明渠流参数，这里与inlet保持一致即可。
7. 求解设置
7. 求解设置
7.1 求解方法
Solution → Solution → Methods..
Volume Fraction要选择Geo-Reconstruct，可以精确计算气液界面。详细内容可参考文章：151、Fluent VOF模型显式和隐式格式的对比
7.2 求解控制
保持默认即可
8. 初始化
8. 初始化
Solution→Initialization
和明渠流动类似，波浪流动也有专门的初始化方法，
Compute from选择inlet
Open channel Initialization Method选择Wavy，Initial Values保持默认
点击Initialize，此时Fluent会根据Inlet设置波浪参数，自动对计算域进行初始化，自由液面高为1m，bottom lelve为-1m，波高0.3m，波长3m
初始化后的相界面如图
9. 检查造波参数是否合理
9. 检查造波参数是否合理
可以通过TUI命令检查造波理论是否合理
define/boundary-conditions/open-channel-wave-settings输入文本命令后，会输出建议的信息
如果出现“passed”文本，说明所选的wave theory没有问题。否则需要调整wave theory
而如果出现下图的failed提示，就需要更换wave theory
10. 计算设置
10. 计算设置
本例与网上的其他案例不同，本例的几何模型存在水沟，因此当波浪流经此处时，物理量变化可能比较剧烈，因此我们采用自适应时间步，初始时间步长设置为0.001s
由于时间步较小，我们使用超算进行计算，因此界面显示形式可能和之前有所不同
计算残差图
注：由于几何模型的特殊性，本例的波面并不是典型的正弦曲线，而是会有所波动
11. 后处理
11. 后处理
11.1 二维流场动画
11.2 波面高度曲线
可以看到，距入口0.1m处的波浪受到水沟的影响较小，因此基本为正弦曲线。而5m处波浪明显受到水沟的影响，波面高度波动很大。
这说明波浪运动是受到模型影响的，并不是一定满足正弦规律
11.3 波浪流动动画
通过网盘分享的文件：Chapter155
链接: https://pan.baidu.com/s/1DtjB3G2fNqW48svPCt3avQ?pwd=b5py 提取码: b5py
