[论文解读] Grid2Grid : HOS Wrapper Program for CFD solvers

Young-Myung Choi, Maïté Gouin+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Ocean Waves and Remote Sensing被引用 12

一句话总结

Grid2Grid 是一种高性能的 HOS 封装程序，通过逆 FFT 和 B 样条插值从高阶谱（HOS）模拟中重构非线性波场，实现与 OpenFOAM 等 CFD 求解器的高效耦合。它可在 CFD 模拟中实现精确、实时的非线性波生成，对极端波浪的模拟结果与实验数据具有验证一致的匹配度。

ABSTRACT

Wave generation solvers using Higher Order Spectral Method (HOS) have been validated and developed over the years. HOS solves nonlinear wave propagation in open sea (HOS-Ocean) and in numerical wave tank (HOS-NWT) with low computation time comparing with other nonlinear solvers. HOS solvers are released as open-source codes under the terms of GNU General Public Licence (GPLv3). Nonlinear irregular wave generation in computational fluids dynamic (CFD) solvers becomes important recently in naval fiels to better estimate the loads on offshore structure. The conventional linear superposition methods imply a long computational time for wave generation and the simulation is made almost impossible without having enough computational power. And if the method is based on linear wave theory, there is also question on occurence of nonlinear phenomenon and the interaction between waves as the simulation goes. Therefore dedicated nonlinear wave solvers with high computational speed are needed. Grid2Grid is developed as a wrapper program of HOS to generate wave fields from the results of HOS computation. Grid2Grid reconstructs wave fields of HOS with inverse fast Fourier transforms (FFTs) and uses a quick spline module, the nonlinear wave fields can be fastly reconstructed for arbitrary simulation time and space. The nonlinear wave simulation is then possible for a particular position and time where specific non linear phenomenon occur. Grid2Grid is developed as a wrapper program of HOS to generate wave fields from the results of HOS computation. Grid2Grid reconstructs wave fields of HOS with inverse fast Fourier transforms (FFTs) and uses a quick spline module, the nonlinear wave fields can be fastly reconstructed for arbitrary simulation time and space. The nonlinear wave simulation is then possible for a particular position and time where specific non linear phenomenon occur.

研究动机与目标

• 解决在海洋结构物 CFD 模拟中线性波生成方法存在的计算效率低下和精度不足的问题。
• 通过利用预先计算的 HOS 波场，实现在 CFD 求解器中高保真度的非线性波模拟。
• 为将 HOS 生成的波场集成到多种 CFD 框架中，提供一种可移植、可重用的接口。
• 支持以 VTK 格式和时间序列形式输出 HOS 结果，用于后处理、验证与分析。
• 实现对极端非线性波事件（如墨西哥湾 1000 年一遇波浪）的模拟，具备准确的波浪破碎预测能力。

提出的方法

• 利用逆 FFT（H₂ 算子）从 HOS 模态数据中重构体积波场，将谱模态转换为空间波场。
• 采用多维 B 样条插值模块（bspline-fortran），实现在任意时间和空间位置上的快速、精确波场插值。
• 提供共享库（libGrid2Grid.so）并采用 ISO_C_BINDING 接口，支持与 C、C++、Python 及其他语言的互操作。
• 使用后处理模块（PostGrid2Grid）将波场导出为 VTK 格式和波面高度时间序列，用于可视化与验证。
• 通过 foamStar 与 CFD 求解器（如 OpenFOAM）集成，利用动态混合函数将 HOS 生成的波数据融合进模拟域。
• 应用模态截断准则（Cf(z) = 10），防止在自由表面附近高波数模态产生非物理放大的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 HOS 生成的波场能否以低计算开销高效重构并插值，以适用于任意 CFD 求解器？
• RQ2 Grid2Grid 在 CFD 模拟中对非线性波现象（包括波浪破碎和极端波事件）的再现精度如何？
• RQ3 与线性叠加方法相比，使用 Grid2Grid 在非线性波生成的保真度和效率方面提升程度如何？
• RQ4 Grid2Grid 是否能够实现对极端波况（如 1000 年一遇波浪）的精确模拟，并具备正确的波浪破碎预测能力？
• RQ5 Grid2Grid 输出的波面高度和波场结果与受控波浪水池实验测量值的匹配程度如何？

主要发现

• Grid2Grid 成功利用逆 FFT 和 B 样条插值重构 HOS 波场，实现在任意时间与空间位置的快速、精确波场访问。
• 模拟的波面高度与墨西哥湾 1000 年一遇波浪的实验测量结果高度一致，验证了其在极端波况下的精度。
• HOS-NWT 预测的波浪破碎事件在模拟与实验中均被正确捕捉，破碎发生的时间与位置与预期相符。
• HOS 与 VOF-CFD 结果之间的微小差异归因于有限体积求解器在自由表面附近网格分辨率不足。
• Grid2Grid 与 OpenFOAM 中的 foamStar 集成，实现了基于 HOS 目标场的稳定、精确波生成，且数值扩散极低。
• 共享库接口（libGrid2Grid.so）支持在多种编程语言中无缝使用，显著提升了多物理场模拟中的可重用性与互操作性。