Simulation of wave-structure interaction by atwo-way coupling between a fully nonlinear po-tential flow model and a Navier-Stokes solver

Simulation d’interactions vagues-structure par un couplage bidirectionnel entre un codepotentiel complètement non-linéaire et un code Navier-Stokes

• Auteur / Autrice : Paul Landesman
• Direction : Jeffrey Harris, Michel Benoit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 06/04/2022
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines)
• Jury : Président / Présidente : Stéphan Grilli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jeffrey Harris, Michel Benoit, David Le Touzé, Frédéric Golay, Marilena Greco, Sylvain Guillou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Le Touzé, Frédéric Golay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Fondations (construction)

Vagues

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Ecoulement potentiel non linéaire

Interactions vagues-Structures

Mécanique des fluides numérique

Fully non linear potential flow

Waves-Structures interactions

Computational Fluid Dynamics

Résumé

Cette thèse traite de la conception, du développement et de l’application d’une stratégie de couplage entre un code de vagues potentiel complètement non-linéaire et un modèle résolvant les équations de Navier-Stokes, dans le but d’étudier les interactions vagues-structure à l’œuvre sur les fondations d’éoliennes en mer. La stratégie de couplage suppose une décomposition du domaine de calcul suivant laquelle le champ de vagues proche de la structure étudiée est simulé à l’aide du solveur Navier-Stokes Code Saturne, code open source à Volumes Finis mettant en œuvre une méthode de capture de la surface libre de type Volume Of Fluid (VOF). A l’écart de la structure, là où les effets visqueux et turbulents peuvent être négligés, le code potentiel résout l’équation de Laplace pour le potentiel des vitesses, par le biais d’une formulation intégrale aux frontières et permet ainsi la simulation du champ de vagues lointain. La génération et l’absorption de vagues sont effectuées dans le sous-domaine potentiel extérieur de ce canal à houle numérique hybride en trois dimensions. Les codes visqueux et potentiel échangent des informations liées au calcul couplé à proximité de leurs frontières communes. La procédure de couplage peut donc être qualifiée de bidirectionnelle, en ce qu’elle autorise la propagation de vagues du sous-domaine potentiel au sous-domaine visqueux, et réciproquement. Il devient ainsi possible d’étudier la diffraction de houles sur des fondations fixes d’éoliennes en mer, tout en réduisant au minimum l’étendue du sous-domaine visqueux, de même que les coûts de calcul associés. Chacun des codes utilise un pas de temps qui lui est propre. Le recouvrement partiel des sous-domaines impose de s’assurer que des conditions de continuité de la vitesse et de la position de surface libre sont vérifiées à tout instant sur les deux frontières couplées distinctes. Cette méthodologie de calcul hybride, et les communications entre codes qu’elle implique, sont rendues parallèles par le recours à la bibliothèque Message Passing Interface (MPI).De ce fait, des simulations à de grandes échelles spatiales et temporelles sont permises par l’emploi d’une grappe de serveurs à mémoire distribuée. La méthodologie de couplage est expérimentée pour divers types de vagues incidentes, incluant des ondes solitaires et des houles régulières non-linéaires. Elle est par la suite appliquée à la simulation des efforts s’exerçant sur un mono pieu. Les résultats, dans le cas de la houle régulière, sont comparés à des données expérimentales obtenues dans un canal à houle. Différentes périodes et cambrures de vagues sont étudiées. Une attention particulière est portée aux composantes d’ordre élevés de la force horizontale non-linéaire.

This thesis deals with the development and application of a two-way coupling procedure between a fully nonlinear potential flow model and a Navier-Stokes solver to study wave-structure interaction applied to offshore wind turbines. The coupling strategy relies on a domain decomposition method, in which the wave fieldclose to the structure of interest is simulated with the Navier-Stokes solver Code Saturne,an open-source Finite Volume code capturing the free surface with a Volume of Fluidmethod. Away from the structure, where viscous and turbulent effects may be neglected, the potential code, solving the Laplace equation for the velocity potential with a boundaryintegral formulation, is applied to model the large scale wave field.Generation and absorption of waves in this three-dimensional hybrid numerical wave tanktake place in the outer potential domain. The potential and Navier-Stokes codes exchange data in the region around their common boundaries. The coupling may thus be referredto as “two-way”, enabling one to propagate waves in and out of the viscous subdomain, and making the hybrid algorithm suitable to study wave diffraction on fixed offshore windturbines, while keeping the viscous subdomain as small as possible. Each code uses its own mesh and time step. Subdomains are overlapping, therefore a velocity continuity conditionand a free surface continuity condition have to be verified on two distinct coupling surfacesat any time.Parallel implementation of the coupling strategy with communications between the modelsrelying on the Message Passing Interface (MPI) library allows calculations to be run onlarge spatial and temporal scales on distributed memory clusters. The coupling algorithmis tested for various incident wave conditions, including solitary waves and regular nonlinear waves. It is then applied to the simulation of wave loads exerted on a vertical monopileand numerical results are compared with experimental measurements performed in a waveflume considering various values of the period and steepness of incident waves. Attention is paid to the analysis of high-order components of the nonlinear horizontal force.