A技术要点： 
1. 几何网格操作

• 翼型边界层划分（边界层）
• 网格渐变控制（网格质量总体控制）
• 波浪层网格划分（计算网格规划）
• 数值造波对几何的要求（计算域的范围选取）
• Sliding mesh网格的处理（特定模型的处理）

2. 求解器设定

• 轮机转动的处理（Sliding mesh）
• 波浪界面追踪（VOF）
• 边界条件，操作条件等的设置操作（UDF数值造波）

3. 数据输出处理等

• 时间序列动画制作（图片输出，动画生成）
• 过程受力，力矩监控数据采集（UDF）

B算例 仿真分析 过程介绍
1. 算例描述
样机浪轮翼 1M 长，０ 长，０ .１Ｍ 宽， 4 个均匀分布固定在 两个圆形 D 450 mm 钢板的 D400 mm D400 mm D400 mm 的直径上， 转轴在圆板中 心水平放置于，最上翼线离水面在波浪情况下距谷一个翼弦的。
波浪参数 ： 浪高 H = 0.3 M H = 0.3 M ， 周期 T = 2 s (T = 2 s ( T = 2 s ( 秒), 波长 = 20 H= 20 H = 6 M= 6 M 。
分析浪轮机理论输出功率及对应转速等。
2. 几何模型

首先在建模软件中建立模型

简化为二维考虑，几何模型为：

3. 网格生成
对二维场景，根据浪轮机水槽过波实验及数值模拟需要取计算范围为：
水平方向 X：-6～12m ；
重力方向 Y：-4～0.8m
对波浪区域和轮体叶片附近网格 进行加密；翼使用边界层对波浪区域和轮体叶片附近网格 进行加密；翼使用边界层控制，边界层高度为 1mm ；使用滑移网格技术（ sliding mesh sliding mesh sliding meshsliding mesh ）处理轮机转动时，旋转区域与其他之间界面网格。采用混合技术分块生 旋转区域与其他之间界面网格。采用混合技术分块生 成网格；对水汽界 成网格；对水汽界 面采用正四形网格提高界追踪的精度，对海洋静水以下区渐变控 面采用正四形网格提高界追踪的精度，对海洋静水以下区渐变控 制网格质量与数，整个计算域总单元为 制网格质量与数，整个计算域总单元为 214 660 个。整体网格和局部格细节如下：

4. 模型与边界条件设置

•  多相流模型

对于本项目模拟的对象体系为水汽多相分层体系，对波浪界面的模拟通过采
用VOF 多相流模型对气液界面进行追踪而实现。对应的控制方程组为：
连续性方程：
上式中:
mpq:代表由q 相向p 相得传质源相；

Sαq:其他原因产生的q 相物质的质量源相;
ρq：q 相物质的密度；
动量守恒方程:

上式中：
μ：粘性系数；
v:速度矢量；
g:重力；
F：其他作用力；

• 流型判断与湍流模型

当浪轮机以60rpm（每分钟60 转）的转速转动时，叶片中心点的线速度为：
U=wr=60/60*2*3.14159*0.2=1.2566m/s
取转动半径（R=0.2m）为特征尺度，则相应雷诺数为：
Re=ρUR/μ=1000*1.2566*0.2/0.001=2.5132×105
因此初步判断流型为湍流，故应采用相应湍流模型计算湍流粘性系数。采用
Realizible ke 湍流模型，壁面附近采用非平衡壁面函数处理。
模型控制方程为：

式中：

湍流粘性系数与控制变量之间的关联：

各字母意义及进一步的表达式，非平衡壁面函数等内容参靠 FLUENT帮助 文档 12.4 部分。

• 来流边界与数值造波

根据 Ariy AriyAriy波理论，平面进行在边界口的流体速度分量： 波理论，平面进行在边界口的流体速度分量：
式中：

i: 进口边界单元编号；
A：波浪幅值；
K：波数；
w：波的圆频率；
ε：造波初相位；
x轴沿波的传播方向， y轴向上为正，原点置于未被扰动流体表面是进 轴向上为正，原点置于未被扰动流体表面是进 轴向上为正，原点置于未被扰动流体表面是进 口处波面瞬时值：

将此边界条件加载在波产生面上。

• 其他边界条件

参考实验水槽的际情况，对 空气计算域边界取为压力出口类型；参考实验水槽的际情况，对 空气计算域边界取为压力出口类型；参考实验水槽的际情况，对 空气计算域边界取为压力出口类型；水底面使用壁类型边界；对造波区域取为速度进口并加载 水底面使用壁类型边界；对造波区域取为速度进口并加载 水底面使用壁类型边界；对造波区域取为速度进口并加载 数值造波 数值造波 数值造波 数值造波 边界条 边界条 边界条 件。
流场与流动特性仿真—多相流成功案例-海基科技-沈艳涛博士（商业机密，请勿外传）

• 计算工况条件

浪高取0.3m，周期2 秒，浪的波长取浪高的20 倍即为6m。实验目标为获
得空载转速与最大转速相等时的稳定输出功率转速。因此，根据实验估计转速对
以下三种转速进行模拟：1 转/秒；1.2 转/秒；0.8 转/秒。转轮初始相位取为0。

5. 计算结果分析

•  一定转速下转矩-时间曲线图

根据计算结果（见后附结果文件moment.xls），得到在4 个周期即8 秒时间
内的四个翼片（即单个轮机）所受流体作用于其上的转矩随时间的变化图为：
从图中可以看出空载时，当转速约为48rpm，轮体依靠波浪提供的能量大致能保持此转速不变；当转速增大时，需要额外输入功率才可以保持轮体的转动速
度。

• 流线图：

根据转矩-时间曲线图，取转速为48rpm，时间区间为6~8 秒（一个波浪周期）叶片周围的流场进行分析。相应的流线图如下：

t=6.0s

t=6.1s

t=6.2s

t=6.3s

t=6.4s

t=6.5s

t=6.6s

t=6.7s

t=6.8s

t=6.9s

t=7.0s

t=7.1s

t=7.2s

t=7.3

t=7.4s

t=7.5s

t=7.6s

t=7.8s

t=7.9s

t=8.0s

 从一个波动周期，约两旋转内的流线图可以看出型翼片有利 从一个波动周期，约两旋转内的流线图可以看出型翼片有利 从一个波动周期，约两旋转内的流线图可以看出型翼片有利 于减小流动的阻力。不过同时也可以看出，处迎波左上转翼附近较为 于减小流动的阻力。不过同时也可以看出，处迎波左上转翼附近较为 于减小流动的阻力。不过同时也可以看出，处迎波左上转翼附近较为 复杂，容易形成来流一定攻角并导致尾涡的产生因此在后续优化改进中应 复杂，容易形成来流一定攻角并导致尾涡的产生因此在后续优化改进中应 复杂，容易形成来流一定攻角并导致尾涡的产生因此在后续优化改进中应 复杂，容易形成来流一定攻角并导致尾涡的产生因此在后续优化改进中应 予于考虑，如采用可微调的自适应翼片。

6. 结论

通过对特 定波动情况下的浪轮机转矩分析，可以初步确空载自速特征 定波动情况下的浪轮机转矩分析，可以初步确空载自速特征 参数，并与试验 参数 相一致， 说明 CFD方法是适合此问题的分析； 方法是适合此问题的分析； 通过对转轮翼片附近流线的分析，指明了进一步结构优化方向。