Combined Waves and Tidal Current Flow over a Full Tidal Cycle

Abstract

Målet for dette arbeidet er å kunne forutsi effektene fra kombinert sinusformede overflatebølger og tidevannstrøm over en full tidevannssyklus. En en-dimensjonal turbulensmodell med to likninger har blitt brukt over middels vanndyp. Implementering av bølger og strøm er en enveis implementering, hvor tidevannet driver det kombinerte bunngrensesjiktet.

Modellen ble i en prosjektoppgave skrevet i løpet av høsten 2018 vellykket validert for ren tidevannsstrøm med feltdata presentert av King and G. Davies A. (1985), og for bølgegrensesjiktet med laboratorie eksperimenter av Jensen et al. (1989). Modellen ble senere utviklet for å kunne modellere de kombinerte effektene fra bølger og tidevannsstrøm over en full tidevannssyklus. Det mest interessante og mest kritiske omradet i vannsøylen er nært havbunnen. Derfor har et finere ”mesh” med flere gitterpunkter blitt lagt til i områdene nært grensejiktet på havbunnen. Fordi prosjektoppgaven ikke er publisert, er de viktigste resultatene lagt ved i Vedlegg A.

Det finnes ulike publiserte arbeider som omhandler det kombinerte grensesjiktet for bølger og tidevannsstrøm. Undersøkelse av kombinert bølge og tidevannstrøm over en full tidevannssyklus er imidlertid et fysisk ”multiscale” problem som, etter forfatterens viten, aldri før har blitt løst. Feltmålinger for kombinert bølger og tidevannsstrøm over en full tidevannssyklus med tilstrekkelig kvalitet har ikke blitt funnet for denne oppgaven.

Partikkelbaneundersøkelse over en full tidvannssyklus viser at den kombinerte bølge og tidevannsstrømmen viser reduserte hastigheter og dermed reduserte avstander sammenlignet med ren tidevannsstrøm alene. Forskjellen mellom ellipsen for kombinert bølge og tidevannsstrøm og ellipsen for ren tidevannsstrøm er mye større pa 10 cm over havbunnen sammenlignet med for 23 cm over havbunnen. Årsaken til dette antas å være at strømningen ved 10 cm over havbunnen er nærmere det bølgeinduserte grensesjiktet på havbunnen, noe som betyr at den bølgeinduserte ruheten (apparent roughness) har større innflytelse på strømningen nærmere havbunnen.

Nærbilder av ellipsen for kombinerte bølger og tidevannsstrøm viser at ellipsen viser horisontale svinginger fra side til side nar bølgene og tidevannsstrømmen virker med en vinkel mellom hverandre. Dette antas a være forårsaket av en endring i genereringen av turbulent energi over en bølgesyklus.

Effekten av økt bunnruhet z0 viste seg a gi en betydelig reduksjon i avstanden partiklene beveget seg over. Dette resultatet viser at det er veldig viktig a kjenne forholdene til havbunnen ved det aktuelle omradet.

Videre arbeid bør omfatte skjærspenningsanalyse av havbunnen, massetransport i ikke lineære bølger, introdusere flux for turbulens og en ikke-lineær interaksjon mellom grensesjiktene for kombinert bølger og strøm.

The objective of present work is to be able to predict the effects of combined sinusoidal surface waves and tidal current flow over a full tidal cycle. A one dimensional two-equation numerical turbulence closure model has been used over intermediate water depth. The implementation of waves and current in present work is a one-way implementation, where the current initiates the combined boundary layer.

The model was, in a project thesis written during the fall of 2018, successfully validated for pure tidal flow with field data measurements presented by King and G. Davies A. (1985), and for the wave boundary layer with laboratory experiments by Jensen et al. (1989). The model was afterwards developed to be able to model the combined effects of waves and tidal current over a full tidal cycle. The most interesting, and most critical area in the water column is close to the sea-bed. Therefore, a finer mesh with more grid points has been added to the areas close to the boundary layer at the bottom. As the project thesis is not published, the most important results are given in Appendix A.

There exist various published material and work containing the combined waves and current boundary layer effects. However, the investigation of combined waves and tidal current over a full tidal cycle is a physical ”multiscale” problem that has, to the author’s knowledge, never been solved before. Field measurements for combined waves and tidal current over a full tidal cycle with sufficient quality have not been found prior to present work.

Particle trajectory investigation over a full tidal cycle shows that the combined waves and tidal current exhibit reduced velocities and thus reduced traveling distance compared to pure tidal current alone. The difference between the combined waves and tidal current ellipse and the ellipse for pure tidal current is much larger at 10 cm above the sea-bed in comparison with 23 cm above the sea-bed. The cause for this is assumed to be that the flow at 10 cm above the sea-bed is closer to the wave-induced boundary layer on the sea-bed, which means that the apparent roughness has a greater influence on the flow closer to the sea-bed.

Close-up views of the combined waves and tidal current particle trajectories show that the ellipse exhibit a horizontal oscillatory pattern from side to side when the waves and tidal current interact with an angle between each other. This is assumed to be caused by a change in the generation of turbulent energy over a wave cycle.

The effect of increased bottom roughness z0 showed to give a significant reduction in the traveling distance of the particles in the trajectory ellipses. This result shows that it is utterly important to know the sea-bed conditions in the area of evaluation.

Further work should include shear stress analysis of the sea-bed, mass transport by nonlinear waves, introduce flux for the turbulent quantities and add a nonlinear interaction between the boundary layers for the waves and current.