A unified spectral/hp element depth-integrated Boussinesq model for nonlinear wave-floating body interaction

par Umberto Bosi

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées et calcul scientifique

Sous la direction de Mario Ricchiuto.

Soutenue le 17-06-2019

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de mathématiques de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Rémi Abgrall.

Le jury était composé de Allan Peter Engsig karup, Lisl Weynans, Maria Kazolea, David Lannes.

Les rapporteurs étaient Fabien Marche, Michel Benoit.

  • Titre traduit

    Un modèle Boussinesq intégré en profondeur unifié d’élément spectral/hp pour une interaction nonlinéaire vague-corps flottante


  • Résumé

    Le secteur de l’énergie houlomotrice s’appuie fortement sur la modélisation mathématique et la simulation d’expériences physiques mettant en jeu les interactions entre les ondes et les corps. Dans ce travail, nous avons développé un modèle d’interaction de fidélité moyenne vague-corps pour la simulation de structures tronquées flottantes fonctionnant en mouvement vertical. Ce travail concerne l’ingénierie de l’énergie marine, pour des applications telles que les convertisseurs d’énergie de vague (WEC) à absorption ponctuelle, même si ses applications peuvent aussi être utilisées en ingénierie maritime et navale. Les motivations de ce travail reposent sur les méthodes standard actuelles pour décrire l’interaction corps-vague. Cellesci sont basées sur des modèles résolvant le flux de potentiel linéaire (LPF), du fait de leur grande efficacité. Cependant, les modèles LPF sont basés sur l’hypothèse de faible amplitude et ne peuvent pas répresenter les effets hydrodynamiques non linéaires, importants pour le WEC opérant dans la région de résonance ou dans les régions proches du rivage. En effet, il a été démontré que les modèles LFP prédisent de manière excessive la production de puissance, sauf si des coefficients de traînée sont calibrés. Plus récemment, des simulations Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) ont été utilisées pour les WEC. RANS est un modèle complet et précis, mais très coûteux en calcul. Il n’est ni adapté à l’optimisation d’appareils uniques ni aux parcs énergétiques. Nous avons donc proposé un modèle de fidélité moyenne basé sur des équations de type Boussinesq, afin d’améliorer le compromis entre précision et efficacité. Les équations de type Boussinesq sont des modèles d’ondes intégrées en profondeur et ont été un outil d’ingénierie standard pour la simulation numérique de la propagation d’ondes non linéaires dans les eaux peu profondes et les zones côtières. Grâce à l’élimination de la dimension verticale, le modèle résultant est très efficace et évite la description temporelle de la limite entre la surface libre et l’air. Jiang (2001) a proposé un modèle de Boussinesq unifié, décomposant le problème en deux domaines : surface libre et corps. Dans cette méthode, le domaine du corps est également modélisé par une approche intégrée en profondeur - d’où le terme unifié. Récemment, Lannes (2016) avait analysé de manière rigoureuse une configuration similaire dans une équation non linéaire en eaux peu profondes, en déduisant une solution exacte et semi-analitique pour des corps en mouvement. Suivant la même approche, Godlewski et al. (2018) a élaboré un modèle de flux d’eau peu profonde encombrée. [...] Dans cette thèse, nous développons les résultats présentés par Eskilsson et al. (2016) et Bosi et al. (2019). Le modèle est étendu à deux dimensions horizontales. Le modèle 1D est vérifié à l’aide de solutions fabriquées et validé par rapport aux résultats publiés sur l’interaction vague-corps en 1D pour les pontons fixes et corps en mouvement de soulèvement forcé et libre. Les résultats des preuves de concept de la simulation de plusieurs corps sont présentés. Nous validons et vérifions le modèle 2D en suivant des étapes similaires. Enfin, nous mettons en oeuvre la technique de verrouillage, une méthode de contrôle de mouvement du corps pour améliorer la réponse au mouvement des vagues. Il est démontré que le modèle possède une excellente précision, qu’il est pertinent pour les applications d’ondes en interaction avec des dispositifs à énergie houlomotrice et qu’il peut être étendu pour simuler des cas plus complexes.


  • Résumé

    The wave energy sector relies heavily on mathematical modelling and simulation of the interactions between waves and floating bodies. In this work, we have developed a medium-fidelity wave-body interaction model for the simulation of truncated surface piercing structures operating in heave motion, such as point absorbers wave energy converters (WECs). The motivation of the work lies in the present approach to wave-body interaction. The standard approach is to use models based on linear potential flow (LPF). LPF models are based on the small amplitude/ small motion assumption and, while highly computational efficient, cannot account for nonlinear hydrodynamic effects (except for Morison-type drag). Nonlinear effects are particularly important for WEC operating in resonance, or in nearshore regions where wave transformations are expected. More recently, Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations have been employed for modelling WECs. RANS is a complete and accurate model but computationally very costly. At present RANS models are therefore unsuited for the optimization of single devices, not to mention energy farms. Thus, we propose a numerical model based built on Boussinesq-type equations to include wave-wave interaction as well as finite body motion in a computationally efficient formulation. Boussinesq-type equations are depth-integrated wave models and are standard engineering tool for numerical simulation of propagation of nonlinear wave in shallow water and coastal areas. Thanks to the elimination of the vertical dimension and the avoidance of a time-dependent computational the resulting model is very computational efficient. Jiang (Jiang, 2001) proposed a unified Boussinesq model, decomposing the problem into free surface and body domains. Notably, in Jiang’s methodology also the body domain is modeled by a depth-integrated approach –hence the term unified. As all models based on Boussinesq-type equations, the model is limited to shallow and intermediate depth regimes. We consider the Madsen and Sørensen model, an enhanced Boussinesq model, for the propagation of waves. We employ a spectral/hp finite element method (SEM) to discretize the governing equations. The continuous SEM is used inside each domain and flux-based coupling conditions are derived from the discontinuous Galerkin method. The use of SEM give support for the use of adaptive meshes for geometric flexibility and high-order accurate approximations makes the scheme computationally efficient. In this thesis, we present 1D results for the propagation and interaction of waves with floating structures. The 1D model is verified using manufactured solutions. The model is then validated against published results for wave-body interaction. The hydrostatic cases (forced motion and decay test) are compared to analytical and semi-analytical solutions (Lannes, 2017), while the non-hydrostatic tests (fixed pontoon and freely heaving bodies) are compared to RANS reference solutions. The model is easily extended to handle multiple bodies and a proof-of-concept result is presented. Finally, we implement the latching technique, a method to control the movement of the body such that the response to the wave movement is improved. The model is extended to two horizontal dimensions and verified and validated against manufactured solutions and RANS simulations. The model is found to have a good accuracy both in one and two dimensions and is relevant for applications of waves interacting with wave energy devices. The model can be extended to simulate more complex cases such as WEC farms/arrays or include power generation systems to the device.


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