Development and application of a numerical tank using the phase-field lattice Boltzmann method
基于相场格子玻尔兹曼方法的数值水槽的开发与应用
周嘉禾、刘光威、张庆河、张金凤
本文开发了一种基于相场格子玻尔兹曼方法的高精度数值风浪水槽。该数值水槽采用两相LBM框架，结合中心矩碰撞模型求解多相流不可压缩Navier-Stokes方程，并耦合守恒型相场方程实现精确的气-水界面追踪。通过将静态开边界造波器与主动消波技术相结合，该数值水槽实现了波浪和风场生成与吸收的低耗散控制，从而为风-浪-结构相互作用提供高精度模拟。经过时空离散化和界面参数的系统优化，波浪传播过程中的波高衰减率始终保持在10-5以下。数值验证与应用表明，该数值水槽能准确生成二阶/三阶斯托克斯波、孤立波、椭圆余弦波和不规则波等多种波浪类型，成功复现了波浪与梯形潜堤和斜坡堤相互作用时的非线性变形与破碎过程。此外，研究精确再现了风场作用下波浪与斜坡堤的相互作用过程，模拟结果与实验数据高度吻合，揭示了风致非线性波浪放大、提前破碎以及近水面气流结构演化等关键特征，证实了模型在模拟风-浪-结构相互作用中的适用性。通过采用双向气-水耦合机制，该模型克服了单相VOF-LBM模型在捕捉界面演化和界面动量交换方面的局限性，为揭示风、浪与海岸结构物耦合机制提供了可靠工具。
原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0275902
