Two-way coupling between potential and viscous flows for a marine application

par Young-Myung Choi

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides

Sous la direction de Pierre Ferrant.

  • Titre traduit

    Couplage bidirectionnel entre des écoulements de potentiel et visqueux pour une application marine


  • Résumé

    Ce travail propose une méthodologie de couplage bidirectionnel entre un modèle Navier-Stokes et un modèle fluide parfait potentiel pour des applications d’ingénierie marine et particulièrement d’interaction houlestructure. Les quantités d’intérêt sont décomposées comme la somme d’un terme d’écoulement incident et un terme d’écoulement complémentaire. Un modèle potentiel non-linéaire (HOS : High-Order Spectral) est utilisé pour l’écoulement incident. L’écoulement complémentaire est traité par des modèles de fluide visqueux et de fluide parfait potentiel. Le modèle fluide visqueux est basé sur les équations SWENS (Spectral Wave Explicit Navier-Stokes) et une formulation de type Level-Set pour la prise en compte de l’interface; ce modèle est utilisé dans un domaine proche de la structure marine étudiée. Le modèle de fluide potentiel est un modèle linéarisé basé sur une description de Poincaré. Cette description est utilisée pour effectuer de nouveaux développements où la surface de couplage est un cylindre circulaire, ce qui permet de résoudre les problèmes de divergence numérique rencontrés initialement sur la surface libre. Les variables utilisées pour le couplage entre les deux modèles sont la vitesse du fluide et l’élévation de surface libre. Le couplage proposé est validé pour des cas de diffraction-radiation et l’accord avec les résultats de référence est bon. En particulier, les efforts du 1er et du 2ème ordre sont bien restitués.


  • Résumé

    The present study proposes a two-way coupling methodology between potential and viscous flow models for a marine application. A hypothesis that the functional quantities of total flow can be decomposed into the incident and complementary parts is assumed. The nonlinear potential flow model for incident flow is available. Therefore the complementary flow is only concerned in the potential and viscous flow models. The computational domain for complementary flow is decomposed. In the vicinity of structure, the viscous flow model based on Spectral Wave Explicit Navier-Stoke Equations (SWENSE) is used. A linear potential flow model based on Poincaré velocity representation is applied to simulate the complementary wave in the far-field. The fluid velocity and wave elevation are used to couple the potential and viscous flow models. A preliminary study on the coupling is conducted and the necessity to a fast evaluation of potential flow is raised. The nonlinear potential flow models for incident waves are summarized and the reconstruction procedure in the viscous flow solver is proposed and validated with the simulation and experiments. A new Poincaré’s velocity representation for time domain free surface flow is introduced with a circular cylindrical matching surface. The proposed representation is validated with the linear radiation-diffraction problem and the results show good agreements. The viscous flow solver based on SWENSE method with Level-Set interface modeling is proposed. The potential and viscous flow models are coupled and the results show that the coupling can enhance the first- and second-order forces acting on the structure.


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