OpenFOAM中新增的一款集成式数值波浪水槽，用于海洋可再生能源的水动力建模

《Applied Materials Today》：A new integrated numerical wave tank in OpenFOAM for hydrodynamic modelling of offshore renewables

提出一种新型集成水动力模型IntegratedFoam，结合有限体积法的全非线性势流（FNPF）求解器和OpenFOAM的interFoam求解器，通过域分解和重叠松驰区实现高效耦合。验证案例包括固定圆柱和波浪能转换器（WEC），结果显示模型在准确预测水力 loads和结构运动方面表现优异，计算效率显著提高。

　　本文介绍了一种新的集成水动力模型框架，用于模拟波浪与结构物之间的相互作用问题。该模型通过将一个基于有限体积法的完全非线性势流（FNPF）求解器与OpenFOAM原生的不可压缩“interFoam”求解器进行耦合，从而在数值波浪水槽（NWT）中实现高效的模拟。这种耦合方法采用了一个重叠的松弛区，以实现单向耦合。这种方法的主要优势在于，两个求解器都基于OpenFOAM开发，因此使用相同的数值方法，即有限体积法（FVM），这使得信息传递变得简单且稳定。此外，利用OpenFOAM现有的高级功能，可以轻松地进行所需插值，从而解决网格不匹配的问题。这些功能还允许实现一个重叠的松弛区，这是确保耦合稳定的关键，因为它能够平滑地从FNPF解转移到N-S解，同时吸收NWT中的任何反射波。

在该模型中，通过将FNPF求解器计算出的体积分数从自由表面高度推导出来，可以实现两者的耦合。这意味着速度和压力已经由FNPF求解器计算，可以直接传递。此外，通过OpenFOAM提供的先进功能，可以实现对非匹配网格的插值，使得模型在处理复杂波浪与结构物相互作用时更加高效和稳定。为了验证新模型的准确性和效率，本文采用了两个复杂的波浪与结构物相互作用测试案例：聚焦波浪与固定三维圆柱体的相互作用（模拟简化单桩基础）以及聚焦波浪与三维波浪能转换器（WEC）装置的相互作用。结果表明，该模型能够产生准确的数值解，并且与现有数值结果和实验数据高度一致，同时显著提高了计算效率。

传统的波浪水动力模型大多基于势流理论，但完全非线性势流模型在近年来的研究中变得越来越受欢迎。这种模型在处理波浪传播、波浪-波浪相互作用以及波浪变形问题时，已经被证明能够提供足够准确的解，同时保持计算效率。这使得它们特别适用于长期和大规模的海洋区域模拟。例如，Grilli等人（2001）开发了一个基于高阶边界元法（BEM）的准确且高效的三维数值波浪水槽（NWT），用于各种应用，包括波浪浅滩和翻转波浪。另一个例子是Hanssen等人（2022），他们应用了谐波多项式单元（HPC）方法，用于高效模拟各种大规模自由表面波浪，包括短波长和长波长的不规则波浪。然而，FNPF模型无法考虑粘性、涡旋等重要的物理效应，因此近年来，基于Navier-Stokes（NS）方程的计算流体力学（CFD）模型，如Martínez Ferrer等人（2016）开发的两相体积分数（VOF）模型，以及Bihs等人（2016）开发的两相水平集（LS）模型，成为模拟复杂波浪-结构物相互作用的重要工具。然而，CFD模型通常计算成本较高，使得它们在长期和大规模波浪模拟中不切实际。

在应用FNPF和NS求解器时，两者都有其优势和劣势。FNPF求解器在处理波浪传播和波浪变形方面表现优异，而NS求解器则能够捕捉粘性和湍流效应。因此，开发一种单向耦合模型，使得每个求解器能够用于其表现最佳的区域，是应对这些挑战的有效方法。这种方法可以确保波浪在结构物附近区域由NS求解器处理，而波浪传播和吸收则由FNPF求解器负责。这种耦合方法可以显著提高计算效率，同时保持解的准确性。

为了实现这种耦合，本文提出了一种名为IntegratedFoam的集成模型。该模型采用了一种重叠的松弛区来确保信息传递的平滑性和稳定性。这种方法不仅简化了信息传递过程，还避免了反射波对耦合稳定性的影响。通过将FNPF和NS求解器的计算区域进行划分，并利用重叠的松弛区，使得两个区域之间的解能够平滑过渡，从而确保整个模型的稳定性和准确性。此外，这种方法还能够吸收反射波，提高模型的效率。

本文通过两个复杂的测试案例验证了IntegratedFoam模型的准确性和效率：聚焦波浪与固定三维圆柱体的相互作用以及聚焦波浪与三维波浪能转换器（WEC）装置的相互作用。这些测试案例涉及各种波浪和结构物的相互作用，包括波浪的聚焦、传播、变形和结构物的响应。结果表明，IntegratedFoam模型能够准确预测波浪在结构物上的作用力，并且与现有数值结果和实验数据高度一致。这证明了该模型在模拟复杂波浪-结构物相互作用时的高效性和准确性。

在模型的构建过程中，作者还考虑了网格不匹配和时间步长不一致的问题。通过利用OpenFOAM的现有功能，可以轻松实现网格之间的插值，从而解决网格不匹配的问题。此外，由于两个求解器都基于相同的数值框架，因此时间步长的不一致问题可以通过设置最大允许时间步长来解决，从而确保计算的稳定性。这种方法使得模型能够在保持计算效率的同时，准确捕捉波浪与结构物之间的相互作用。

在测试案例中，作者使用了聚焦波浪来模拟极端波浪条件下的波浪与结构物相互作用。聚焦波浪是通过将多个局部波浪叠加而成的，这些波浪在特定时间和位置同时聚焦。这种波浪能够有效地模拟极端波浪条件，从而测试模型在复杂情况下的表现。测试结果表明，IntegratedFoam模型能够准确预测波浪在结构物上的作用力，并且在结构物运动时保持良好的稳定性。此外，模型还能够有效捕捉波浪在结构物周围的流动情况，从而确保解的准确性。

本文还讨论了模型的并行化实现。由于OpenFOAM本身支持并行计算，因此可以利用并行计算技术来提高模型的效率。通过将计算域分解为多个子域，并利用零阶或一阶耦合边界条件，可以实现高效的并行计算。这种方法不仅提高了计算效率，还使得模型能够处理大规模和长期的波浪与结构物相互作用问题。

最后，作者总结了本文的研究成果，并提出了未来的工作方向。他们认为，IntegratedFoam模型在模拟复杂波浪-结构物相互作用时具有显著的优势，尤其是在提高计算效率和保持解的准确性。未来的工作可以包括改进模型的某些方面，如利用OpenFOAM的八叉树搜索技术来优化耦合过程，或者使用“scotch”方法实现完全的任意并行分解，以优化大规模网格计算的负载平衡。此外，作者还建议可以将FNPF求解器与“overInterDyMFoam”求解器进行耦合，以处理大规模网格变形问题，从而进一步提高模型的适用性和效率。