基于OpenFOAM-extend的风-浪联合作用数值模拟：kOmega湍流模型的效率优先实现

基于OpenFOAM-extend的风-浪联合作用数值模拟：kOmega湍流模型的效率优先实现

摘要

本研究针对海洋工程中风-浪联合作用的数值模拟需求，基于OpenFOAM-extend平台开发了一套以计算效率为核心的高性能模拟框架。采用kOmega湍流模型封闭RANS方程，结合waves2Foam波浪工具箱实现速度入口造波与松弛区消波技术，构建了完整的风-浪联合作用数值水池。针对效率优先的应用场景，本文提出了包含网格优化策略、并行计算配置、求解器参数选择及湍流模型简化方案的综合效率优化体系。在保证物理合理性的前提下，网格规模压缩约40%，单时间步迭代次数控制在8-10次，并行效率可达理想值的85%以上。算例验证表明，本框架能够准确捕捉风-浪联合作用下海洋结构物的压力分布与波浪力特性，计算成本降低35%-55%，为大规模海洋工程数值模拟提供了高效可靠的技术方案。

关键词：OpenFOAM-extend；kOmega湍流模型；风-浪联合作用；计算效率；数值水池

1. 引言

海洋工程结构物长期服役于复杂的风-浪耦合环境中。强风与剧烈波浪的联合作用显著增加了结构载荷的幅值与复杂性。传统工程实践中，风和波浪载荷往往被分开处理——风场采用大气边界层模型，波浪场采用势流理论，这种方法无法捕获风-浪交界面附近的动量交换、湍流增强和气动弹性耦合等非线性效应。近年来研究表明，波面陡度超过0.35时，极端风况可使波峰处的湍流强度增强100%以上，波浪破碎产生的逆时针涡旋会使平均风速在波峰处增加超过20%，风-浪之间的协同效应不可忽视