Experimental and numerical modelling of severe sea states.
Modélisation expérimentale et numérique des états de mer complexes
Résumé
The study of directional waves belongs to the top priorities of the Laboratoire de Mécanique des Fluides, recently equipped with a large-sized wave basin. To exploit these new capacities as well as possible, the objective of this PhD is to acquire competences relating to as much the generation of the directional waves and the data analysis as the fine comprehension of the nonlinear phenomena involved with waves.
To help the comprehension and control of these nonlinear effects, two numerical time domain models are developed and validated, reproducing all the features of the physical basin (segmented wavemaker, sidewalls, absorbing beach, finite depth). Both based on a spectral method of resolution of the potential equations, the first one is developed at second order in wave steepness while the second accounts for the fully nonlinear equations through an High-Order Spectral approximation.
Generation techniques using sidewalls reflection to increase the size of the usable zone in case of oblique waves are implemented in both numerical of physical basins. A second order frequency domain analytical solution of the generation problem for oblique waves is developed and leads to the correction of the wavemaker motion to suppress the spurious free waves due to non-linearities on the wavemaker.
The problem of the deterministic reproduction of steep events is tackled. In 2D, an original third order technique is proposed to accurately estimate the nonlinear phase velocities required to build the wavemaker motion. In 3D, a linear approach is followed to deal with the directionality of the focusing waves.
To help the comprehension and control of these nonlinear effects, two numerical time domain models are developed and validated, reproducing all the features of the physical basin (segmented wavemaker, sidewalls, absorbing beach, finite depth). Both based on a spectral method of resolution of the potential equations, the first one is developed at second order in wave steepness while the second accounts for the fully nonlinear equations through an High-Order Spectral approximation.
Generation techniques using sidewalls reflection to increase the size of the usable zone in case of oblique waves are implemented in both numerical of physical basins. A second order frequency domain analytical solution of the generation problem for oblique waves is developed and leads to the correction of the wavemaker motion to suppress the spurious free waves due to non-linearities on the wavemaker.
The problem of the deterministic reproduction of steep events is tackled. In 2D, an original third order technique is proposed to accurately estimate the nonlinear phase velocities required to build the wavemaker motion. In 3D, a linear approach is followed to deal with the directionality of the focusing waves.
L'étude de la houle multi-directionnelle fait partie des objectifs prioritaires du Laboratoire de Mécanique des Fluides, récemment doté d'un bassin de houle de grandes dimensions. Pour exploiter au mieux ces nouvelles capacités, l'objectif de cette thèse est d'acquérir des compétences concernant autant la génération des vagues directionnelles et l'analyse des mesures que la compréhension fine des phénomènes non linéaires associés à la houle.
Pour aider à la compréhension et à la maîtrise des effets non linéaires, deux modèles numériques reproduisant dans le domaine temporel toutes les fonctionnalités du bassin sont développés et validés (générateur de type serpent, murs latéraux, plage absorbante, profondeur finie). Ces modèles sont basés sur une méthode spectrale de résolution des équations potentielles. Le premier modèle est développé au second ordre en série de perturbation ; le second en non linéaire complet (approximation HOS).
Les techniques de génération existantes s'appuyant sur la réflexion sur les murs latéraux pour agrandir la zone de mesure utile sont employées dans les bassins numériques et expérimental. Le développement d'une solution analytique fréquentielle de la génération au second ordre permet de corriger le mouvement batteur en supprimant les ondes libres parasites dues aux non-linéarités.
Le problème de la reproduction déterministe de séquences de houle est abordé à travers l'étude des paquets de vagues focalisés. En 2D, un modèle partiel au troisième ordre estime les vitesses de phase non linéaires nécessaires à la prédiction correcte du mouvement batteur. En 3D, un modèle linéaire est employé pour traiter de la directionnalité.
Pour aider à la compréhension et à la maîtrise des effets non linéaires, deux modèles numériques reproduisant dans le domaine temporel toutes les fonctionnalités du bassin sont développés et validés (générateur de type serpent, murs latéraux, plage absorbante, profondeur finie). Ces modèles sont basés sur une méthode spectrale de résolution des équations potentielles. Le premier modèle est développé au second ordre en série de perturbation ; le second en non linéaire complet (approximation HOS).
Les techniques de génération existantes s'appuyant sur la réflexion sur les murs latéraux pour agrandir la zone de mesure utile sont employées dans les bassins numériques et expérimental. Le développement d'une solution analytique fréquentielle de la génération au second ordre permet de corriger le mouvement batteur en supprimant les ondes libres parasites dues aux non-linéarités.
Le problème de la reproduction déterministe de séquences de houle est abordé à travers l'étude des paquets de vagues focalisés. En 2D, un modèle partiel au troisième ordre estime les vitesses de phase non linéaires nécessaires à la prédiction correcte du mouvement batteur. En 3D, un modèle linéaire est employé pour traiter de la directionnalité.
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