Numerical Modelling of Wave Overtopping Response to Sea Level Rise with REEF3D::SFLOW

Abstract

Klimaendringer har vært et hovedtema på forskningsområdet nylig fordi det påvirker menneskets livsmiljø. I kystsonen og lavtliggende området forårsaker klimaendringer havnivåstigning, noe som medfører potensiell fare for den lokale økonomiens utvikling og til og med menneskelivsrisiko. Når det gjelder kystforsvarsstrukturer som bølgebrytere og diker, er de direkte beskyttelsestiltakene. Derfor er effekten av havnivåstigning på kystforsvarsstrukturer verdig å studere. Denne oppgaven fokuserer på virkningen av økning av havnivået på bølgetoppen ved kyststrukturer. Tradisjonell overtopping er basert på fysiske laboratorieeksperimenter. Ved å oppsummere resultatene fra laboratorieeksperimenter, blir bølgevalg på typiske strukturer studert. Imidlertid er kostnadene for fysiske eksperimenter enorme, og resultatene er begrenset av laboratorieplass og ressurser. I dag, med den oppdaterte datamaskinvaren og forbedring av beregningsmessig flytende dynamikk-teknologi, har numerisk simuleringsmetode blitt mye brukt til bølgetreff. I denne oppgaven brukes et open-source hydrodynamics framework REEF3D. Gruntvannsmodellen REEF3D :: SFLOW løser grunnvannslikningene med en kvadratisk ikke-hydrostatisk trykkforutsetning. For å løse de regjerende ligningene, blir den femte rekkefølgen vektet i det vesentlige ikke-oscillerende (WENO) fi nite forskjellsordning brukt til konveksjonstiden, og den tredje ordens totalvariasjon som reduserer (TVD) Runge-Kutta-ordningen brukes som tidsforskudd format. Dessuten, som en del av REEF3D-rammeverket, løser beregningsmessige fluidynamikk (CFD) modulen REEF3D :: CFD RANS-ligningene. På grunn av beregningseffektiviteten brukes REEF3D :: SFLOW som det viktigste forskningsverktøyet i avhandlingsstudien, mens REEF3D :: CFD brukes til verifisering og sammenligning. Gjennom forskjellige parameterkombinasjoner som bølgeabsorpsjonsmetoder og bølgeteorier, simuleres vellykket den endimensjonale regelmessige bølgen, todimensjonale regelmessige bølgene, todimensjonale bruddbølgene og storstilt numerisk bølgetankmodell av kystbølger med topografiske endringer. Resultatene av de simulerte bølgeflater sammenlignes med teoretiske eller eksperimentelle data for å bekrefte gyldigheten av de numeriske bølgetankene. Resultatene viser konsistens med teoretiske eller eksperimentelle verdier. Dessuten gjelder denne oppgaven REEF3D :: SFLOW for å simulere bølgeforplantning over.

Climate change has been a major topic in the research field recently because it influences the living environment of human-being. In the coastal zone and low-lying area, climate change causes sea level rise, which brings potential danger to the local economy development and even human life risk. In regard, coastal defence structures such as breakwaters and dikes are the direct protection measures. Therefore the impact of sea level rise on coastal defence structures is worthy to study. This thesis focuses on the impact of sea level rise on the wave overtopping at coastal structures. Traditional overtopping research is based on physical laboratory experiments. By summarizing laboratory experiments results, wave overtopping on typical structures are studied. However, the cost of physical experiments is huge and results are limited by laboratory space and resources. Nowadays, with the updated computer hardware and improvement of computational fluid dynamics technology, numerical simulation method has been widely applied to wave overtopping topics. In this thesis, an open-source hydrodynamics framework REEF3D is applied. The shallow water model REEF3D::SFLOW solves the shallow water equations with a quadratic non-hydrostatic pressure assumption. In order to solve the governing equations, the fifth-order weighted essentially non-oscillatory(WENO) finite difference scheme is applied to the convection term, and the third-order total variation diminishing(TVD) Runge-Kutta scheme is used as time advance format. Besides, as part of REEF3D framework, the computational fluid dynamics(CFD) module REEF3D::CFD solves the RANS equations. Due to the computational efficiency, REEF3D::SFLOW is used as the main research tool in the thesis study, while REEF3D::CFD is used for verification and inter-comparison. Through different parameter combinations such as wave absorption methods and wave theories, the one-dimensional regular wave, two-dimensional regular wave, two-dimensional breaking wave and large-scale numerical wave tank model of coastal waves with topography changes are successfully simulated. The simulated wave surface results are compared with theoretical or experimental data to verify the validity of the numerical wave tanks. The results show consistency with theoretical or experimental values. Besides, this thesis applies REEF3D::SFLOW to simulate wave propagation over complex coastal structures. A numerical wave tank is established to study wave propagation and wave overtopping over a designed complex dike structure. By comparison with physical experimental measurements, the simulation results show that the simulated interaction between waves and complex structure is accurately. The calculated overtopping discharge from simulation results is also consistent with the measured value. Therefore, REEF3D::SFLOW is able to simulate wave propagation and wave overtopping over a complex dike structure. The study also demonstrates that the usage of validated numerical wave models such as REEF3D, is ideal for the investigation of future sea level rise scenarios.