Improvement of the 2D and 3D modeling of breaking waves in a maritime environment
Amélioration de la modélisation 2D et 3D de vagues déferlantes en milieu maritime
Résumé
Fully nonlinear potential flow models (FNPF) have been extensively employed for diverse applications, including the propagation of nonlinear and dispersive waves in varying water depths, modeling wave runup over steep slopes, investigating nonlinear wave interactions with fixed and floating structures, and simulating overturning waves (using a Lagrangian formulation), among other applications.Additionally, FNPF models have been applied to simulate specific phenomena that might not be accounted for under the irrotational and inviscid flow assumptions. For instance, phenomena like bottom friction in shallow water, viscous effects, and wave breaking. In recent years, there has been growing interest in understanding breaking waves, particularly in extreme wave conditions. This study focuses on the development of a parameterized wave breaking model for FNPF models, with a specific emphasis on basing the model on the underlying physics of the phenomenon and ensuring broader applicability by using minimal calibration parameters.Firstly, 2D (i.e., long-crested) breaking waves are explored. A parameterized breaking detection and dissipation model is presented for 2D depth-limited breaking waves. The model incorporates a universal breaking onset criterion and a newly derived dissipation strength model. The proposed model is validated with regular and irregular breaking waves, including spilling and plunging breakers over submerged bars and slopes. Another parameterized breaking model is proposed for 2D steepness-limited breaking waves, utilizing the same onset parameter as the previous model, with a dissipation strength model from the literature, based on the input wave packet. This model is then validated using laboratory experiments of focused breaking waves.Finally, the proposed 2D depth-limited dissipation model is extended to 3D depth-limited breaking waves. This extension involves dividing wavefronts into smaller subdivisions, where wave conditions can be assumed constant across the span of each subdivision. Consequently, these individual subdivisions are treated as 2D long-crested waves. The proposed model is validated with spilling and plunging breaking waves over a 3D submerged bar and an elliptical shoal.
Les modèles d'écoulement potentiel non-linéaire ont été largement utilisés pour diverses applications, notamment la propagation d'ondes non-linéaires et dispersives à différentes profondeurs d'eau, la modélisation de la montée des vagues sur des pentes abruptes, l'étude des interactions non linéaires des vagues avec des structures fixes et flottantes et la simulation des vagues renversées. (utilisant une formulation Lagrangienne), entre autres applications. De plus, ces modèles ont été appliqués pour simuler des phénomènes spécifiques qui pourraient ne pas être pris en compte dans les hypothèses d'écoulement irrotationnel et non visqueux. Par exemple, des phénomènes tels que le frottement du fond dans des conditions peu profondes, les effets visqueux et le déferlement des vagues. Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour la compréhension des vagues déferlantes, en particulier dans le contexte de conditions de vagues extrêmes. Cette étude se concentre sur le développement d'un modèle de déferlement de vagues paramétré dans les modèles d'écoulement potentiel non linéaire, en mettant particulièrement l'accent sur la base du modèle sur la physique sous-jacente du phénomène et en garantissant une applicabilité plus large en utilisant des paramètres d'étalonnage minimaux. Tout d'abord, les vagues déferlantes 2D (i.e., à crête longue) sont explorées. Un modèle de détection et de dissipation de déferlement paramétré est présenté pour des ondes déferlantes 2D à profondeur limitée. Le modèle intègre un critère universel de début de déferlement et un nouveau modèle de force de dissipation. Le modèle proposé est validé avec des vagues déferlantes régulières et irrégulières, y compris des déferlantes déferlantes et plongeantes sur des barres et des pentes submergées. Un autre modèle de déferlement paramétré est proposé pour les ondes déferlantes à pente limitée en 2D, utilisant le même paramètre d'apparition que le modèle précédent, ainsi qu'un modèle de force de dissipation de la littérature, basé sur le paquet d'ondes d'entrée. Ce modèle est ensuite validé à l'aide d'expériences en laboratoire impliquant des ondes déferlantes focalisées. Enfin, le modèle de dissipation 2D limité en profondeur proposé est étendu aux ondes déferlantes 3D limitées en profondeur. Cette extension implique de diviser les fronts d'onde en subdivisions plus petites jusqu'à un certain degré, où les conditions d'onde peuvent être supposées constantes sur toute la durée de chaque subdivision. Par conséquent, ces subdivisions individuelles sont traitées comme des ondes 2D à crête longue. Le modèle proposé est validé avec des vagues déferlantes déversantes et plongeantes sur une barre submergée 3D et un haut-fond elliptique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)