| dc.description.abstract | Numerisk simulering av bølger som beveger seg over raskt varierende vanndybde er ofte svært krevende. Bjørnafjorden er et perfekt eksempel på et marint område der små øyer og skjær forstyrrer bølgene, og hvor vanndybden endres med flere hundre meter over en kort horisontal distanse. Den vanligste metoden for å beregne bølgeforholdene er å benytte seg av modeller basert på bølgespektra, men disse modellene kan ha utfordringer med med å beregne propagering av bølger for så krevende forhold som de man har langs den norske kysten. Derfor trenger man mer komplekse bølgemodeller som matematisk beregner forholdene i vannet.
I denne oppgaven brukes den ikke-lineære potensialstrømmodellen REEF3D::FNPF til å beregne bølgeforholdene i Bjørnafjorden, spesielt på grunn av dønninger. Målet er å analysere og presentere bølgeforholdene i Bjørnafjorden, og deretter sammenligne disse dataene med måledata og resultater fra modeller basert på bølgespektra. Fem forskjellige bølger med varierende bølgehøyde, periode og retning er simulert fra offshore til Bjørnafjorden.
REEF3D::FNPF løser Laplace-likningen som er diskretisert ved hjelp av et andreordens ‘central difference scheme’, mens et høyere ordens ‘WENO scheme’ er brukt for de dynamiske og kinematiske randbetingelsene. Det numeriske området er inndelt i et strukturert nett i horisontal retning, mens et σ-koordinatsystem er brukt i vertikal retning. Verifisering av den numeriske modellen er gjennomført ved hjelp av to- og tre-dimensjonale simuleringer. Ved hjelp av disse simuleringene er størrelsen på cellene, strekkfaktor i σ-koordinatsystemet og utstrekningen til den numeriske kystlinjen bestemt, med mål om å redusere numeriske unøyaktigheter og urealistiske prosesser som for eksempel kunstig refleksjon av bølger.
100 års returverdi for den signifikante bølgehøyde i Bjørnafjorden er beregnet til å være 58 centimeter av REEF3D::FNPF, og 27 centimeter av den spektrumsbasert modellen SWAN. Videre viser måledata for 19 måneder at den signifikant bølgehøyden overgår 30 centimeter flere ganger. REEF3D::FNPF viser også at lavfrekvente bølger på omtrent 0.01 Hz generes i Selbjørnsfjorden, men dette støttes ikke i resultatene fra SWAN. I tillegg viser det seg at bølgeforholdene på tvers av Bjørnafjorden ikke er homogene.
Denne studien viser at REEF3D::FNPF er en stabil og relativt effektiv bølgemodell som kan beregne propageringen av bølger gjennom utfordrende topografi med relativt god nøyaktighet. Resultatene beregnet av REEF3D::FNPF viser tydelig en bedre korrelasjon til måledata enn beregningene fra SWAN. Likevel anbefales det videre å utforske hvor nøyaktig REEF3D::FNPF er, sammenlignet med mer omfattende måledata. | |
| dc.description.abstract | In the field of numerical wave modeling, wave propagation over quickly varying bathymetry is often demanding. Bjørnafjorden is an excellent example of a domain where islands and skerries disrupt the propagation of waves, and the water depth changes by several hundred meters over a short horizontal distance. The popular phase-averaging wave models are struggling to simulate these rapidly varying wave parameters accurately, and phase-resolved models are therefore needed. In this study, the fully nonlinear potential flow model REEF3D::FNPF is used to simulate the wave propagation of swell waves from an offshore location to Bjørnafjorden. The aim is to present and analyze the wave conditions in the fjord, as well as comparing the results to calculations by phase-averaging wave models, and data from field measurements. Five different wave inputs with varying wave height, wave period, and main direction are imposed at the offshore boundary of the numerical model.
The governing Laplace equation is discretized by a second-order central differences method, while the higher-order WENO scheme is used for the kinematic and dynamic boundary conditions. The domain is discretized in a structured grid in the horizontal directions, while a sigma-coordinate system is used in the vertical direction. The verification of the numerical model is carried out by simplified two- and three-dimensional simulations. The grid size, the stretching factor of the vertical mesh, and the distance of the coastline damping zone are determined to reduce numerical dispersion, numerical damping, unphysical dissipation, and artificial reflection to a neglectable amount.
For a 100-year return period, the maximum significant wave height in Bjørnafjorden is calculated to be 0.58 meters by REEF3D::FNPF, which is more than twice as high as the similar value calculated by the phase-averaged wave model SWAN. However, field measurements for 19 months show that even in this short period, the significant wave height exceeds 0.30 meters frequently. Results from REEF3D::FNPF also shows that low-frequency waves at 0.01 Hz are generated in Selbjørnsfjorden. SWAN, on the other hand, does not capture these waves. Additionally, the wave conditions in the fjord are found to be inhomogeneous.
The study concludes that REEF3D::FNPF is proven to be a stable and relatively efficient numerical wave model, which can calculate wave propagation over the challenging bathymetry of Bjørnafjord reasonably accurately. The phase-resolving wave model REEF3D::FNPF clearly shows a better correlation to measured data than the phase-averaged wave model SWAN. Still, further studies with comparison to more comprehensive field measurements are advised. | |
