模拟驱动的设计会掀起波澜

By Ansys Advantage Staff

德国慕尼黑可能是世界啤酒之都，但这座内陆城市还以另一种液体饮料而闻名:河上冲浪。20世纪70年代，在慕尼黑的Floßlände海峡，人们发明了这项潮湿而又经常是野蛮的运动。当艾斯巴赫河流经英国花园时，偶然地形成了一个波浪，这项运动开始流行起来。

当河水流经慕尼黑市中心那座宁静的公园时，为了让湍急的水流平静下来，工程师们在水中放入了混凝土块。这些石块产生了意想不到的结果，产生了一个快速、浅、可冲浪的海浪。冲浪爱好者开始通过在岸边系上木板来放大海浪的力量，以缩小海峡。结果就是艾什巴赫韦勒，现在是德国首屈一指的河上冲浪胜地。

通道和波产生装置的几何形状完全参数化。结构化网格和计算流体动力学设置自动生成

与在动态海岸波浪上冲浪不同，在河中冲浪是在驻波、潮孔或上游波浪上进行的。虽然这可能给人的印象是，河上冲浪是海洋体验的温和摹本，但事实是，Eisbachwelle可能是一个颠簸的旅程，只适合经验丰富的冲浪者。初学者可以在Floßlände的固定波上微调技巧，它比Eisbachwelle更平稳、更安全。兰根菲尔德冲浪馆(Surf Langenfeld)将静止波的整个概念带入了一个新的维度，在这里，各种水平的冲浪者都可以捕捉到世界上第一个在湖上站立的深水波。它由UNIT Parktech a.g.于2017年建造。

2014年，慕尼黑大学机械与工艺工程教授Robert Meier-Staude博士和他的团队利用Ansys Workbench和Ansys CFX重振了Floßlände。2017年，他们使用了同样的模拟软件，在莱茵兰的兰根菲尔德冲浪场制造了世界上最强大的人工海浪。两者都是完全模拟驱动的设计，导致了聚氨酯片层装置的生产——这一解决方案在Floßlände和Surf Langenfeld的不同条件下都能很好地工作。

旧浪又涌起

Floßlände是慕尼黑平静的河波中最温和的一个，40多年来一直是新手和经验不足的冲浪者的热门旅游目的地，直到2014年，当地政府减少了流入这里的水量，附近的建设项目使情况变得更糟。在这一点上，海浪变得无法冲浪。

最左边的三维瞬态波计算的左侧显示了与“y脉冲”等高线的对称面。右边标志着海峡的墙壁。从计算来看，我们应该期待一个完美的“绿脸”波。最右边的细节视图(从左到右的流动)从通道的侧壁帮助研究侧壁如何影响波。

由Meier-Staude领导的团队是河流冲浪者自己，他们决心弄清楚是什么导致了水流条件的敏感性，然后开发一种设备，可以用更少的水产生可冲浪的波浪。更复杂的是，无论他们设计什么，都不能阻碍其他航道的交通，包括游泳者、皮划艇运动员和运送游客的木筏。该解决方案依赖于完全参数化的虚拟原型，而没有实际测试或物理原型。

第一步是建立“好波”的标准，包括定义控制和压力输入。因为压力越大，过山车就越令人兴奋，研究小组得出结论，为了使海浪可以冲浪，垂直压力必须至少达到3000帕斯卡(Pa)，这与3英尺高的海浪以每秒5米的速度行进相比。

为了用最少的水来设计这种强大的波浪，Meier-Staude和他的团队求助于Ansys CFD。通过进行定性和定量参数研究，Ansys CFD是理解形成波浪的机制和计算波浪形成装置上的流体力的关键，波浪形成装置必须足够强大，能够承受波浪，但又足够柔韧，不会危及其他通道用户。

首先，该团队根据进入通道的不同水量制作了二维流动条件模拟。通过测试各种上游和下游的水高度，他们确定了两者之间产生足够能量产生波浪所需的最佳差值。

波面随下游水高的函数的参数研究;冲浪者最喜欢的波浪是即将破裂的波浪。

Ansys软件提供了精细网格分辨率和模拟波浪所需的关键边界层分辨率。3D计算提供了对侧壁影响的深入了解。由于无论使用稳态模拟还是瞬态模拟，结果几乎是相同的，因此该团队最终确定了使用稳态模拟的虚拟原型，从而减少了计算时间和计算能力要求。

2015年，慕尼黑市同意测试该团队的波浪产生装置，在一系列弯曲的木片上安装了一系列27片聚丙烯(PP)薄片(称为薄片)。这些薄片有足够的弹性，使海浪对冲浪者来说保持稳定，但航道的交通会把它们推到地面上，使之远离。

优化装置“yimpulse”流动的垂直动压:以最小的水量和最小的装置高度实现最大的波高和波能。红色区域满足设计标准(冲浪者的甜蜜点)，yimpulse > 3,000 Pa。这个区域应该适合体重在80公斤(176磅)以上的冲浪者。

在Floßlände重新焕发活力的海浪可以用5英尺3英寸的短板冲浪。它已经完全按照设计工作了五年多。

世界上最强大的人造波浪

由于Floßlände的成功，2016年，德国一家专门从事水上公园功能建设和设计的公司UNIT Parktech请Meier-Staude在滑水设施的湖泊中开发一个可冲浪的波浪。这是首个不同寻常的要求，但最重要的是，该公司希望兰根菲尔德拥有最强大的驻波。

为了实现这一雄心勃勃的目标，Meier-Staude和硕士候选人Jakob Bergmeier再次转向模拟驱动设计。利用Floßlände的经验，他们从完全参数化的几何形状中开发了一个原型冲浪池。考虑因素与早期项目类似，包括流动角度、水量和上游和下游的水高。但这一次，他们还必须模拟一个垂直升力系统——一个提供高达10,000帕斯卡力的泵——它将在20米宽50米长的陡峭山脊上产生并保持波浪的完整性。此外，冲浪池必须是节能的。

Bergmeier和Meier-Staude从设计二维和三维流开始，然后使用Ansys CFD模拟运行、优化、启停波。该设计采用了与水处理厂相同的节能泵。水泵将冲浪池收容区内的湖水抬升至水面以上约1.2米;重力推动水迅速流过覆盖斜坡的高密度聚乙烯薄片，而液压跳跃现象在静水中产生深水波——初学者可以有4英尺高的浪，高级冲浪者可以有5英尺3英寸高的浪。

2015年7月1日，汉内斯·赫尔曼第一个冲上新塔尔基兴海浪(图片来源:Philipp Altenhöfer)

概念在几个月内完成

兰根菲尔德冲浪池的模拟设计花了大约四个月的时间;建造它只需要更多的时间。在不到一年的时间里，湖中最强大的人造波浪已经准备好冲浪了。从那以后，UNIT Parktech对他们的技术进行了微调，并在意大利米兰安装了一个更大的冲浪池。

与传统的从模型开始，模拟模型，然后再返回来完善模型的迭代方法相比，使用Ansys软件进行仿真主导设计，大大缩短了从概念到完成的时间。但更重要的是，如果没有虚拟原型，这两个项目都不可能实现。

从本质上讲，模拟确实能制造波浪，克服水流条件，使冲浪成为可能。