Simulation numérique directe des vagues déferlantes en eaux peu profondes en interaction avec les nappes de pétrole

Direct numerical simulation of shallow-water breaking waves interacted with oil slicks

• Auteur / Autrice : Shuo Liu
• Direction : Annie-Claude Bayeul laine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides (AM)
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet - Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet - UMR 9014
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Fuster
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wouter MOSTERT, Joseph Katz, Frédéric Dias, Luc Deike, Annie-Claude Bayeul Lainé, Olivier Coutier-Delgosha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Fuster, Wouter MOSTERT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Déversements de pétrole

Dissipation d'énergie

Bulles

Dissertation universitaire

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Vagues déferlantes

Entraînement d'air

Simulation numérique directe

Taux de dissipation d'énergie

Distribution en tailles des bulles

Dispersion d'huile

Breaking waves

Air entrainment

Direct numerical simulation

Energy dissipation rate

Bubble size distribution

Oil dispersion

Résumé

Le pétrole déversé en mer forme des nappes de pétrole, qui sont ensuite entraînées dans l’eau et brisées en gouttelettes allant du submicronique à plusieurs millimètres par les vagues déferlantes. Ces phénomènes affectent de manière significative le devenir du film de pétrole, notamment son transfert de masse, son échange d’énergie et sa distribution de particules. Par conséquent, l’étude des caractéristiques des gouttelettes de pétrole résultantes est cruciale pour comprendre le processus de dispersion du pétrole et son interaction avec les vagues déferlantes en eaux peu profondes. Nous utilisons des simulations numériques directes (DNS) pour étudier l'évolution des vagues déferlantes et leur impact sur les nappes de pétrole en reproduisant les ondes expérimentales générées par une plaque ondulée de type piston. Tout d’abord, nous avons effectué une DNS bidimensionnelle des vagues déferlantes à l’aide du solveur Basilisk pour acquérir une compréhension détaillée du processus de déferlement des vagues, y compris l’évolution de la surface libre, de la vitesse et des champs de tourbillon. Nous avons constaté que la tension superficielle a un effet significatif sur le processus de renversement de la crête, en épaississant la largeur du jet plongeant et en raccourcissant la distance qui se projette vers l'avant de la vague. Nous avons également appliqué l'échelle de dissipation conventionnelle de la théorie de la turbulence au processus de déferlement des vagues, établissant un lien entre le taux de dissipation d'énergie et le rapport entre la crête de la vague déferlante et la profondeur de l'eau. Nous avons ensuite étendu le DNS bidimensionnel des ondes déferlantes à un cadre tridimensionnel pour tenir compte des effets tridimensionnels sur le processus de déferlement des vagues et pour évaluer les effets de la viscosité (représentée par le nombre de Reynolds, Re) et de la tension superficielle (représentée par Nombre de liaisons, Bo) sur les caractéristiques et la distribution de taille des bulles générées par le déferlement des vagues. Un Bo plus élevé conduit à un plus grand nombre de bulles, la différence étant plus prononcée dans la gamme des bulles plus petites. La vitesse verticale varie avec le rayon de la bulle, montrant des vitesses de montée variables selon les rayons des bulles sous l'effet de la flottabilité, les bulles plus grosses s'élevant plus rapidement vers la surface libre. Pendant la phase de rupture active, la profondeur du panache de bulles reste constante, cohérente avec la hauteur initiale de la cavité principale. Enfin, nous avons étendu le DNS bidimensionnel des ondes déferlantes à des simulations triphasées en présence de nappes de pétrole à la surface de l’eau. Grâce à une étude paramétrique, nous avons analysé la dépendance quantitative de la taille caractéristique des gouttelettes d’huile sur l’intensité des vagues et la tension interfaciale. Nous avons identifié une forte dépendance du diamètre caractéristique des gouttelettes sur le taux de dissipation d'énergie maximal et la tension interfaciale, ce qui est cohérent avec les prédictions théoriques de mise à l'échelle. Cette recherche ouvre la voie à l’étude de la relation entre le déferlement des vagues et le comportement des nappes d’hydrocarbures lors des déversements d’hydrocarbures en mer grâce à des simulations numériques, contribuant ainsi à une compréhension plus approfondie des mécanismes régissant la dispersion et la propagation du pétrole en surface.

Oil spilled at sea forms oil slicks, which are subsequently entrained into the water and broken up into droplets ranging from submicron to several millimeters by breaking waves. These phenomena significantly affect the fate of the oil film, including its mass transfer, energy exchange, and particle distribution. Therefore, investigating the characteristics of the resulting oil droplets is crucial for understanding the oil dispersion process and its interaction with shallow-water breaking waves. We employ direct numerical simulations (DNS) to investigate the evolution of breaking waves and their impact on oil slicks by reproducing experimental waves generated by a piston-type wave plate. First, we performed two-dimensional DNS of breaking waves using the Basilisk solver to gain a detailed understanding of the wave-breaking process, including the evolution of the free surface, velocity, and vorticity fields. We found that surface tension has a significant effect on the crest overturning process, thickening the width of the plunging jet and shortening the distance that projects forward ahead of the wave. We also applied the conventional dissipation scaling of turbulence theory to the wave-breaking process, establishing a link between the energy dissipation rate and the ratio of the breaking-wave crest to water depth. We then extended the two-dimensional breaking waves DNS to a three-dimensional framework to account for three-dimensional effects on the wave-breaking process and to evaluate the effects of viscosity (represented by Reynolds number, Re) and surface tension (represented by Bond number, Bo) on the characteristics and size distribution of bubbles generated by wave breaking. A higher Bo leads to a greater number of bubbles, with the difference being more pronounced in the range of smaller bubbles. The vertical velocity varies with bubble radius, showing varying rise velocities at different bubble radii under the effect of buoyancy, with larger bubbles rising to the free surface at a faster rate. During the active breaking phase, the depth of the bubble plume remains constant, consistent with the initial height of the main cavity. Finally, we extended the two-dimensional breaking waves DNS to three-phase simulations in the presence of oil slicks on the water surface. Through a parametric study, we analyzed the quantitative dependence of the characteristic oil droplet size on the wave intensity and interfacial tension. We identified a strong dependence of the characteristic droplet diameter on the maximum energy dissipation rate and interfacial tension, consistent with theoretical scaling predictions. This research paves the way for investigating the relationship between wave breaking and oil slick behavior in marine oil spills through numerical simulations, contributing to a deeper understanding of the mechanisms governing oil dispersion and surface spreading.