Numerical simulation of wave-body interaction: development of a fully nonlinear potential flow solver and assessment of two local coupling strategies with a CFD solver. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Numerical simulation of wave-body interaction: development of a fully nonlinear potential flow solver and assessment of two local coupling strategies with a CFD solver.

Simulation numérique d’interactions vague structure : développement d’un modèle complètement non-linéaire et évaluation de deux méthodes de couplages avec un modèle CFD.

Résumé

This thesis is devoted to the mathematical modeling and numerical simulation of water waves and their interaction with fixed bodies. A numerical wave tank is first developed within the fully nonlinear potential theory. The mathematical formalism and the Harmonic Polynomial Cell (HPC) method, used to solve the boundary value problems on the wave potential and its time derivative, are described. Numerical strategies employed to include a body of arbitrary shape and to simulate the free surface are developed. Extensive evaluations of the model stability and its independence to numerical parameters (mesh, time-step, etc.) are conducted on a highly nonlinear standing wave case. Afterwards, validations on wave-body interactions problems are realized by comparing with both literature results and a dedicated experiment performed during this study. Then a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach associated with the Volume of Fluid method (VoF) is extensively tested on a case that was shown to emphasize some limitations of the potential approach. The solver, available in the OpenFOAM toolbox, successfully captures additional effects, at the cost of an increase in the computational resources. Thus, two one-way coupling approaches are developed within the OpenFOAM library. First, a domain decomposition strategy is employed to solve the RANS equations only in the vicinity of the body, enforcing values yielded by the potential HPC model at the outer boundaries: a large reduction of the domain size is achieved. Moreover, the incident wave propagation is simulated by the potential method, more efficient, accurate and easier to set up than the RANS-VoF method for this task. In the second coupling method, on the local grid close to the body, the pressure and velocity variables are decomposed into their potential components and complementary parts, these latter ones being expected to vanish away from the body. Modified version of the RANS equations for the complementary variables are derived and implemented. The two coupling approaches are extensively tested on the case of a horizontal cylinder of rectangular cross-section. Good agreements with the original OpenFOAM results are found, for only a contained part of the computational cost, both in the time-series of loads on the body and the local flow field variables. Predictions of the associated hydrodynamic coefficients are accurate when compared to existing experimental and numerical results.
Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique et à la simulation numérique des vagues et de leurs interactions avec des corps fixes. Un canal à houle numérique est tout d'abord développé dans le cadre de la théorie potentielle non-linéaire. En premier lieu sont décrits le formalisme mathématique ainsi que la méthode des cellules aux polynômes harmoniques (HPC), utilisée pour résoudre les problèmes aux valeurs limites sur le potentiel et sur sa dérivée temporelle. Des stratégies numériques utilisées pour inclure un corps de forme arbitraire et pour simuler la surface libre sont développées. Des évaluations approfondies de la stabilité du modèle et de son indépendance par rapport aux paramètres numériques (maillage, pas de temps, etc.) sont menées sur le cas d'une onde stationnaire fortement non-linéaire. Ensuite, la méthode est validée par comparaison avec différents résultats d'interactions vagues-structure, pour partie issus de la littérature, et complétés par des expériences spécifiques réalisées au cours de ce travail. Par la suite, une méthode RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) combinée avec la méthode de Volume of Fluid (VoF) est mise en œuvre et testée de manière approfondie sur un cas de validation dont certains effets physiques sont ignorés dans le cadre de la théorie potentielle. Le solveur, disponible dans la boîte à outils OpenFOAM, permet de capturer ces effets supplémentaires, au prix toutefois d'une augmentation significative du coût de calcul. Ainsi, pour réduire ces coûts additionnels, deux approches de couplage unidirectionnel sont développées, utilisant la librairie OpenFOAM. En premier lieu, une stratégie de décomposition de domaine est proposée pour résoudre les équations RANS uniquement à proximité du corps, en appliquant les valeurs fournies par le modèle potentiel HPC sur les frontières extérieures : une réduction importante de la taille du domaine de calcul est ainsi obtenue. De plus, la propagation de l'onde incidente est simulée par la méthode potentielle, plus efficace, plus précise et plus facile à mettre en place que la méthode RANS-VoF pour cette tâche. Dans la seconde méthode de couplage, sur la grille locale proche du corps, les variables de pression et de vitesse sont décomposées en leurs composantes potentielles et complémentaires, ces dernières étant supposées tendre vers zéro lorsque l'on s'éloigne du corps. Une version modifiée des équations RANS pour les variables complémentaires est dérivée et mise en œuvre. Les deux approches de couplage sont ensuite validées sur le cas d'un cylindre horizontal de section rectangulaire. De bons accords avec les résultats originaux de OpenFOAM sont obtenus, à la fois pour les séries temporelles d'efforts sur le corps et les variables décrivant l'écoulement local, avec une réduction importante du coût de calcul. Les coefficients hydrodynamiques associés sont également correctement prédits, en comparaison aux résultats expérimentaux et numériques existants.
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Citer

Fabien Robaux. Numerical simulation of wave-body interaction: development of a fully nonlinear potential flow solver and assessment of two local coupling strategies with a CFD solver.. Physics [physics]. Université Aix Marseille, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03515567⟩
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