模拟驱动设计掀起波澜

由An万博sys Advantage Staff提供

德国慕尼黑可能以世界啤酒之都而闻名，但这座内陆城市也以另一种形式的液体饮品而闻名:河上冲浪。20世纪70年代，慕尼黑的Floßlände水道发明了这种潮湿且通常是狂野的运动，后来在流经英国花园的艾斯巴赫河上偶然形成了一股波浪，这种运动开始流行起来。

为了让湍急的河水在流经慕尼黑市中心这个宁静公园时平静下来，工程师们在水中放置了混凝土块。这些石块产生了一个意想不到的后果，那就是产生了一个快速、浅浅的、适合冲浪的海浪。冲浪爱好者开始放大海浪的力量，他们在两边系上木板，缩小航道。结果就是Eisbachwelle，现在是德国首屈一指的水上冲浪胜地。

通道和波产生装置的几何结构完全参数化。结构化网格和计算流体动力学设置是自动生成的

与在动态海岸波浪上冲浪不同，河中冲浪是在驻波、潮孔或上游波浪上进行的。虽然这可能会给人一种印象，即河上冲浪是对海洋体验的温和模仿，但事实是，伊斯巴切韦尔可能是一段颠簸的旅程，只适合经验丰富的冲浪者。初学者可以在Floßlände的固定波上调整自己的技能，这比Eisbachwelle更平稳、更安全。将静止波浪的整个概念带入一个新的维度的是Surf Langenfeld，在这里，各种水平的冲浪者都可以在世界上第一个站立在湖中的深水波浪上捕捉波浪。它由UNIT Parktech a.g.于2017年建造。

慕尼黑大学机械与工艺工程教授Robert Meier-Staude博士和他的团队在2014年使用Ansys Workbench和Ansys CFX振兴了Floßlände。万博2017年，他们利用同样的模拟软件在莱茵兰的Surf Langenfeld制造了世界上最强大的人工海浪。两者都是完全由模拟驱动的设计，从而产生了聚氨酯片层设备——这一解决方案在Floßlände和Surf Langenfeld的不同条件下都工作得很好。

旧浪再次涌动

Floßlände是慕尼黑平缓的河浪，40多年来一直是冲浪新手和新手的热门旅游目的地，直到2014年，当地政府减少了流入它的水量，附近的建设项目使情况更加糟糕。在那个时候，海浪变得无法冲浪了。

波的最左边的三维瞬态计算的左侧显示了具有“yimpulse”等高线的对称平面。右边是通道壁。从计算中，我们应该期待一个完美的波浪“绿色面孔”。通道壁面最右边的细节视图(从左到右的流)有助于研究壁面如何影响波。

Meier-Staude领导的团队决心找出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适合冲浪的波浪。让项目更加复杂的是，他们设计的任何东西都不能阻碍其他通道的交通，包括游泳者、皮划艇者和运送游客的木筏。该解决方案依赖于完全参数化的虚拟原型，而不需要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，骑行就越刺激，研究小组得出结论，要让海浪适合冲浪，垂直压力必须至少达到3000帕斯卡(Pa)，这相当于一个3英尺高的海浪以每秒5米的速度移动。

为了用最少的水量设计出这种强大的波浪，Meier-Staude和他的团队转向了Ansys CFD。万博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设备上的流体力的关键，该设备必须足够强大万博，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流动条件的2D模拟。通过测试不同的上游和下游水位，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。

波面随下游水面高度变化的参数研究冲浪者最喜欢的波浪是即将破裂的波浪。

万博Ansys软件提供了模拟波浪所需的精细网格分辨率和关键的边界层分辨率。三维计算可以深入了解侧壁的影响。因为无论他们使用稳态模拟还是瞬态模拟，结果都几乎相同，所以团队最终使用稳态模拟完成了虚拟原型，这减少了计算时间和计算功耗要求。

2015年，慕尼黑市政府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片薄薄的聚丙烯(PP)——被称为薄片。这种薄层有足够的弹性，可以使海浪对冲浪者保持稳定，但航道交通可以将他们推到地面并让路。

优化装置流量“yimpulse”的垂直动态压力:以最小的水量和最小的装置高度实现最大的波高和波能。红色区域符合设计标准(冲浪者的最佳位置)，yimpulse为yimpulse > 3,000 Pa。这个区域应该适合体重80公斤(176磅)或以上的冲浪者冲浪。

在Floßlände，你可以用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海浪

得益于Floßlände的成功，2016年，一家专门从事水上公园建设和设计的德国公司UNIT Parktech邀请Meier-Staude在一个滑水设施的湖中开发一个适合冲浪的波浪。这是首个不同寻常的请求，但最重要的是，该公司希望兰根菲尔德拥有最强的静止波。

为了实现雄心勃勃的目标，Meier-Staude和硕士候选人Jakob Bergmeier再次转向模拟驱动设计。利用Floßlände的经验教训，他们从完全参数化的几何图形开发了一个冲浪池原型。考虑因素与早期项目类似，包括上游和下游的水流角度、水量和高度。但这一次，他们还必须建立一个垂直提升系统的模型——一个泵能输出高达10,000帕斯卡的力——它能在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2D和3D流开始，然后使用Ansys CFD模拟操作、优化以及启动和停止波浪。万博该设计采用了与水处理厂相同的节能泵。水泵将冲浪池内的湖水抬升到水面以上1.2米左右;重力推动水快速穿过覆盖坡道的高密度聚乙烯薄片，水力跳跃现象在静水中产生深水波——初学者4英尺高，高级冲浪者5英尺3英寸高。

Hannes Herrmann, 2015年7月1日新塔尔基兴波浪上的第一个冲浪者(图片来源:Philipp Altenhöfer)

从概念到完成只需几个月

兰根菲尔德冲浪池的模拟设计耗时约4个月;建造它只花了更多的时间。在不到一年的时间里，湖里最强大的人工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游泳池。

与传统的从一个模型开始，模拟，然后再回去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。万博更重要的是，如果没有虚拟原型，这两个项目都不可能实现。

从本质上讲，模拟技术确实掀起了波澜，克服了水流条件，实现了以前从未有过的冲浪。