Étude numérique du déferlement de vagues capillo-gravitaires

Numerical study of the breaking process for capillary-gravity waves

• Auteur / Autrice : Florian Desmons
• Direction : Pierre Lubin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche Inria de l'université de Bordeaux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Mario Ricchiuto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Lubin, Stéphane Popinet, Fabrice Véron, Anthony Wachs, Maria Kazolea, Stephan Grilli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Popinet, Fabrice Véron, Anthony Wachs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces gaz-liquide

Écoulement diphasique

Simulation par ordinateur

Vagues

Mots clés libres

Déferlement de vague

HOMP

Simulation numérique

Volume finis

Notus CFD

Énergie

Anneaux de vorticité

Fond plat

Wave breaking

Flat bottom

Numerical simulation

HOMP

Finite volume

Notus CFD

Vorticity

Energy

Résumé

Le déferlement des vagues, qui se produit de l'océan vers la zone côtière, est un phénomène d'écoulement diphasique complexe qui joue un rôle important dans de nombreux processus, notamment sur le transfert de matière, de quantité de mouvement et d'énergie entre l'air et l'océan. Les récentes tentatives de modélisation se heurtent au manque de connaissances physiques des plus petits détails des processus de déferlement. En outre, aucune loi d'échelle universelle pour les variables physiques n'a été trouvée jusqu'à présent.Une méthode de préservation de la quantité de mouvement, basée sur des travaux récents de la littérature, a été développée pendant la thèse afin d'atteindre les plus fins détails du processus de déferlement pour les ondes capillo-gravitaires. Cette méthode réduit l'échange non physique de la quantité de mouvement entre deux fluides pendant la simulation, ce qui permet d'effectuer des simulations très précises de déferlement de vague. Cette méthode a été vérifiée sur des cas de vérification de la littérature et validée par des expériences réalisées en laboratoire, telles que l'impact d'une goutte d'eau sur une surface libre et le déferlement d'une vague plongeante sur une plage. Ces vérifications et validations confirment l'utilisation de la méthode développée lors de l'étude suivante sur le déferlement des vagues.Dans la littérature, la plupart des résultats expérimentaux et numériques ont été réalisés pour des vagues en eau profonde. L'étude se concentre sur l'influence de la profondeur sur la dynamique du déferlement. La géométrie de surface, les anneaux de vorticité sous-marins et l'énergie totale sont étudiés pour plus de 170 simulations précises du déferlement d'une vague de Stokes sur un fond plat. Les nombreux résultats des simulations ont permis la génération de carte de déferlements pour trois différentes profondeurs d'eau. Les types de déferlements plongeant et glissant ont été subdivisés en fonction des observations faites. Ainsi, les études réalisées au cours de la thèse ont permis d'accroître les connaissances sur le déferlement d'ondes capillo-gravitaires de profondeurs d'eau intermédiaires.

Surface wave breaking, occurring from the ocean to the coastal zone, is a complex and challenging two-phase flow phenomenon which plays an important role in numerous processes, including air–sea transfer of gas, momentum and energy. Recent modelling attempts are struggling with the lack of physical knowledge of the finest details of the breaking processes. Furthermore, no universal scaling laws for physical variables have been found so far. Hence, parameterising and characterising breaking dynamics becomes very difficult.A numerical momentum preserving method, based on literature, has been developed during the thesis in order reach the finest details of the breaking process for capillary-gravity waves. This method reduces the nonphysical sea-air exchange of momentum during the simulation which allows to perform highly accurate simulations of the breaking process. This method is verified on literature verification cases. And it is validated on laboratory experiments such as drop impact on deep pool and breaking plunging wave on the sloping beach. These verifications and validations confirm the use the method developed during the following study on breaking wave.The breaking of capillary-gravity waves was investigated with the variation of the wave depth. In the literature, most of the experimental and numerical results were performed for deep water wave. The study is focused on the influence of the depth on the breaking dynamics. The surface geometry, underwater vorticities and total energy are studied for more than 170 simulations of the breaking of a Stokes wave on a flat bottom. The numerous simulations results permit to create a breaking map for three different ratios of water depth over the wavelength. The plunging and spilling breaking types were subdivided following the observations done on the simulations. The studies performed during the thesis lead to a better understanding of the breaking wave of capillary-gravity waves for intermediate depth.