Mathematical analysis of finite volume schemes for the simulation of quasi-geostrophic flows at low Froude number
Analyse mathématique de schémas volume finis pour la simulation des l'écoulements quasi-géostrophiques à bas nombre de Froude
Résumé
The shallow water system plays an important role in the numerical simulation of oceanic models, coastal flows and dam-break floods. Several kinds of source terms can be taken into account in this model, such as the influence of bottom topography, Manning friction effects and Coriolis force. For large scale oceanic phenomena, the Coriolis force due to the Earth's rotation plays a central role since the atmospheric or oceanic circulations are frequently observed around the so-called geostrophic equilibrium which corresponds to the balance between the pressure gradient and the Coriolis source term. The ability of numerical schemes to well capture thelake at rest, has been widely studied. However, the geostrophic equilibrium issue, including the divergence free constraint on the velocity, is much more complex and only few works have been devoted to its preservation.
In this manuscript, we design finite volume schemes that preserve the discrete geostrophic equilibrium in order to improve significantly the accuracy of numerical simulations of perturbations around this equilibrium. We first develop collocated and staggered schemes on rectangular and triangular meshes for a linearized model of the original shallow water system. The crucial common point of the various methods is to adapt and combine several strategies known as the Apparent Topography, the Low Mach and the Divergence Penalisation methods, in order to handle correctly the numerical diffusions involved in the schemes on different cell geometries, so that they do not destroy geostrophic equilibria. Finally, we extend these strategies to the non-linear case and show convincing numerical results.
Le système de Saint-Venant joue un rôle important dans la simulation de modèles océaniques, d'écoulements côtiers et de ruptures de barrages. Plusieurs sortes de termes sources peuvent être pris en compte dans ce modèle, comme la topographie, les effets de friction de Manning et la force de Coriolis. Celle-ci joue un rôle central dans les phénomènes à grande échelle spatiale car les circulations atmosphériques ou océaniques sont souvent observées autour de l'équilibre géostrophique qui correspond à l'équilibre du gradient de pression et de cette force. La capacité des schémas numériques à bien reproduire le lac au repos a été largement étudiée; en revanche, la question de l'équilibre géostrophique (incluant la contrainte de vitesse à divergence nulle) est beaucoup plus complexe et peu de travaux lui ont été consacrés.
Dans cette thèse, nous concevons des schémas volumes finis qui préservent les équilibres géostrophiques discrets dans le but d'améliorer significativement la précision des simulations numériques de perturbations autour de ces équilibres. Nous développons tout d'abord des schémas colocalisés et décalés sur des maillages rectangulaires ou triangulaires pour une linéarisation du modèle d'origine. Le point commun décisif de ces méthodes est d'adapter et de combiner les stratégies dites "topographie apparente", "bas Mach" et "pénalisation de divergence" pour contrôler l'effet de la diffusion numérique contenue dans les schémas, de telle sorte qu'elle ne détruise pas les équilibres géostrophiques. Enfin, nous étendons ces stratégies au cas non-linéaire et montrons des résultats prometteurs.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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