New nested grids technique for 2D shallow water equations

Nouvelle technique de grilles imbriquées pour les équations de Saint-Venant 2D

Huda Altaie (1)

1 LJAD - Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné

Most flows in the rivers, seas, and ocean are shallow water flow in which the horizontal length andvelocity scales are much larger than the vertical ones. The mathematical formulation of these flows, so called shallow water equations (SWEs). These equations are a system of hyperbolic partial differentialequations and they are effective for many physical phenomena in the oceans, coastal regions, riversand canals. This thesis focuses on the design of a new two-way interaction technique for multiple nested grids 2DSWEs using the numerical methods. The first part of this thesis includes, proposing several ways to develop the derivation of shallow water model. The complete derivation of this system from Navier-Stokes equations is explained. Studying the development and evaluation of numerical methods by suggesting new spatial and temporal discretization techniques in a standard C-grid using an explicit finite difference method in space and leapfrog with Robert-Asselin filter in time which are effective for modeling in oceanic and atmospheric flows. Several numerical examples for this model using Gaussian level initial condition are implemented in order to validate the efficiency of the proposed method. In the second part of our work, we are interested to propose a new two-way interaction technique for multiple nested grids to solve ocean models using four choices of higher restriction operators (update schemes) for the free surface elevation and velocities with high accuracy results. Our work focused on the numerical resolution of SWEs by nested grids. At each level of resolution, we used explicit finite differences methods on Arakawa C-grid. In order to be able to refine the calculations in troubled regions and move them into quiet areas, we have considered several levels of resolution using nested grids. This makes it possible to considerably increase the performance ratio of the method, provided that the interactions (spatial and temporal) between the grids are effectively controlled. In the third part of this thesis, several numerical examples are tested to show and verify twoway interaction technique for multiple nested grids of shallow water models can works efficiently over different periods of time with nesting 3:1 and 5:1 at multiple levels. Some examples for multiple nested grids of the tsunami model with nesting 5:1 using moving boundary conditions are tested in the fourth part of this work.

Les écoulements en eau peu profonde se rencontrent dans de nombreuses situations d’intérêts : écoulements de rivières et dans les lacs, mais aussi dans les mers et océans (courants de marée, tsunami, etc.). Ils sont modélisés par un système d’équations aux dérivées partielles, où les inconnues sont la vitesse de l’écoulement et la hauteur d’eau. On peut supposer que la composante verticale de la vitesse est petite devant les composantes horizontales et que ces dernières sont indépendantes de la profondeur. Le modèle est alors donné par les équations de shallow water (SWEs). Cette thèse se concentre sur la conception d’une nouvelle technique d’interaction de plusieurs grilles imbriquées pour modèle en eau peu profonde en utilisant des méthodes numériques. La première partie de cette thèse comprend, La dérivation complète de ces équations à partir des équations de Navier- Stokes est expliquée. Etudier le développement et l’évaluation des méthodes numériques en utilisant des méthodes de différences finies et plusieurs exemples numériques sont appliqués utilisant la condition initiale du niveau gaussien pour 2DSWEs. Dans la deuxième partie de la thèse, nous sommes intéressés à proposer une nouvelle technique d’interaction de plusieurs grilles imbriquées pour résoudre les modèles océaniques en utilisant quatre choix des opérateurs de restriction avec des résultats de haute précision. Notre travail s’est concentré sur la résolution numérique de SWE par grilles imbriquées. A chaque niveau de résolution, nous avons utilisé une méthode classique de différences finies sur une grille C d’Arakawa, avec un schéma de leapfrog complété par un filtre d’Asselin. Afin de pouvoir affiner les calculs dans les régions perturbées et de les alléger dans les zones calmes, nous avons considéré plusieurs niveaux de résolution en utilisant des grilles imbriquées. Ceci permet d’augmenter considérablement le rapport performance de la méthode, à condition de régler efficacement les interactions (spatiales et temporelles) entre les grilles. Dans la troisième partie de cette thèse, plusieurs exemples numéériques sont testés pour 2DSWE avec imbriqués 3:1 et 5:1. Finalement, la quatrième partie de ce travail, certaines applications de grilles imbriquées pour le modèle tsunami sont présentées.

Mots clés: Coastal regions; Hydrostatic pressure; Free surface flows; Optimum feedback; Boundary conditions; Nested grid; One-way nesting; Two-way nesting; Mesh refinement; Explicit finite difference method; Shallow water model; Derivation of 2D shallow water equations; Ocean model

Mots clés: Grille imbriquée; Méthode des différences finies explicite; Modèle d’eau peu profonde; Dérivation des équations 2D d’eau peu profonde; Modèle océan; Conditions aux limites

Domaines: Analyse numérique [math.NA]

Huda Altaie. New nested grids technique for 2D shallow water equations. Numerical Analysis [math.NA]. Université Côte d'Azur, 2018. English. ⟨NNT : 2018AZUR4220⟩. ⟨tel-02271260⟩