基于重叠网格技术的FOWT浮体带升沉板强迫振荡数值模拟与流体动力学机理研究

本综述系统阐述了运用OpenFOAM中先进重叠网格（Overset Mesh）技术对浮式风力机（FOWT）柱体及升沉板（Heave Plate）强迫振荡的高精度数值模拟方法。研究通过对比不同湍流模型（如SA-DDES），验证了数值框架在捕捉涡旋结构与非线性水动力系数（如附加质量A33、阻尼系数B33）方面的优越性，为突破实验限制（如KC数极端条件、尺度效应）提供了可靠计算工具，对海洋工程结构优化与动力学响应预测具有重要价值。

　　

Section snippets

Physical descriptions

对于海洋结构物在每自由度（DoF）受外力作用时，其非耦合线性水动力模型可表述为式（1）。针对强迫谐波升沉振荡，式（1）可改写为式（2）：

M_iη?_i = -A_iiη?_i - B_iiη?_i - C_iiη_i + F_ext, i=1,2…6

M z? = -A₃₃z? - B₃₃? - C₃₃z + F_ext,

z(t) = z₀ sin(ω_ot) = ?(z_oe^iω_ot),

?(t) = ω_oz₀ cos(ω_ot) = ?(iω_oz₀e^iω_ot),

z?(t) = -ω_o²z₀ sin(ω_ot) = ?(-ω_o²z₀e^iω_ot) = -ω_o²z(t),

其中M为结构质量，z、?、z?分别表示位置、速度与加速度。

Governing equations in OpenFOAM

本节重点介绍支配流体动力学的详细数学与物理方程。本研究使用ESI集团开源软件OpenFOAM v2312开展，采用带重叠技术的瞬态多相求解器（overInterDyMFoam）进行各类分析。

OpenFOAM中不可压缩流体的控制方程为Holzmann [2016]：

?·u = 0

?u/?t + ?·(u?u) = -?p* + ?·τ + r g ?ρ + σ κ ?α。

其中u为平均速度……

Configuration and verification of the numerical model

本节验证将在二维（2D）中进行。尽管从原理上更希望用三维（3D）模拟来微调数值模型的选项与参数，但由于计算成本大幅增加，我们认为使用2D模拟更为合理。所研究的几何结构——带圆形实心升沉板的圆柱——为全轴对称圆形结构，2D网格可视为其横截面切片……

Validation with forced heave oscillation experiments

在先前研究中，强迫升沉振荡实验被用于测试涡旋特性与水动力系数Medina-Manuel等[2022]、Saettone等[2022]。鉴于带升沉板的3D柱体为圆形几何，仅凭2D案例模拟验证实验结果或得出结论并不可行……

Numerical hydrodynamic study to overcome the limits in experiments

实验系统存在物理限制，如水池尺寸约束可能导致吃水较小时产生波浪反射，KC数极大或模型尺寸过大时情况亦然。此外，强迫振荡加载单元可能难以在极高频率或极端KC条件（无论极小或极大）下维持稳定周期运动。进一步地，运动中观察涡旋特性及相互作用仍具挑战。所开发的……

Conclusions

本研究源于浮式平台升沉板的工程应用与实验，详细展示了在OpenFOAM中利用新型重叠网格技术与预编译湍流模型的数值模型开发过程。该数值模型经过仔细验证，与多项关于涡旋及水动力系数的实验研究对比，并深入讨论了数值设置。随后开展模拟以……