Suivi d'interface de type V. O. F. : application au déferlement des ondes de gravité dû aux variations bathymétriques

V. O. F. Interface tracking methods : application to gravity wave breaking due to depth variations

• Auteur / Autrice : Stéphan Guignard
• Direction : Christian Kharif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides numérique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Toulon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université du Sud Toulon-Var. UFR de Sciences et Techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations de Navier-Stokes -- Solutions numériques

Turbulence

Mécanique des fluides

Écoulement -- Visualisation

Vagues

Résumé

Ces deux dernières décades, les thématiques industrielles et académiques ont vu fortement augmenter les besoins en simulation numérique d'écoulements incompressibles multîfluides de fluides visqueux. Ce mémoire présente une étude effectuée dans le cadre d'une thèse de docteur-ingénieur CNRS/Entreprise dont la dominante est le développement d'une méthode de suivi d'interface de type volume de fluide (V. O. F) et son intégration dans un code industriel de mécanique des fluides afin d'en améliorer les performances en simulation d'écoulement multifluides. Cette méthode originale de suivi d'interface intitulée SL-VOF (Segment Lagrangian - Volume Of Fluid), utilise une représentation affine par morceau de l'interface et un schéma Lagrangien de son advcction. Les différentes versions sont testées tout d'abord sur des cas cinématiqucs simples et il apparaît que la dernière est d'ordre 2. Des simulations 2DV du déferlement d'une onde solitaire provoqué par une diminution spatiale progressive (plage) ou brutale (ouvrage de protection immergé ou émergé) de la hauteur d'eau sont validées de deux manières: Jusqu'au point de déferlement les caractéristiques de i'onde simulée (célérité, hauteur de crête, déformée de la surface libre) sont comparées avec succès à celles de l'onde solitaire simulée par une méthode intégrale aux frontières. Apres le point de déferlement, une comparaison satisfaisantes de la déformée de l'interface avec des expériences de laboratoire réalisées dans le cadre de ce travail achève de valider le modèle développé. Les simulations couvrent aussi le phénomène de splash-up et le début du run-up. Les temps de calcul très élevés ont conduii au développement d'une méthode de couplage entre le modèle présente et une méthode potentielle intégrale aux frontières. L'application de ce couplage à la simulation du déferlement d'une onde solitaire sur une plage en pente a permis de réduire le temps de calcul d'un facteur 7 et une comparaison avec des données expérimentales valide ce développement.

Those two last decades, both in the industrial and academics fields, the needs in numerical simulation of multi-fluid flows involving viscous fluids have strongly increased. This thesis presents a study performed in the frame of a "CNRS/SME" granted Ph-D which major input is the development of an high order interface tracking method based on the Volume Of Fluid concept (V. O. F) and it integration in an industrial CFD code in order to improve it's capabilities in numerical simulation of multifluid flows. This original interface tracking method called SL-VOF (Segment Lagrangian - Volume Of Fluid) uses a piecewise linear interface representation and a lagrangian advection scheme. Various versions of this method arc first tested on simple kinematics cases from which the last version appears to be of fully second order. The two first versions of the method arc then tested throughout 2DV numerical simulations of solitary wave breaking due to a spatial mean water level decrease, slow (beach case) or quick (artificial reef, dike). Two kind of comparisons are then considered:From the initial condition to the breaking point, the characteristics (celerity, crest height, free surface shape) of the wave simulated without the air-water effect are successfully compared with those of the wave simulated with a high order B. L. E. M method. After the breaking point, the air-water interaction throughout the interface is considered with respect to the real density ratio and good comparisons for the interface shape evolution until the splash-up phenomena with experiments conducted in the frame of this study achieve the validation of our method. The beginning of the run-up is although computed. High CPU time have motivated the development of a coupling algorithm with a B. I. E. M. . An application of the coupling to the solitary wave breaking on a sloping beach have shown a computational time divided by a ratio of seven. Moreover, these faster computations compare satisfactorily with experimental data on the wave height.