CFD-based estimation of geometric parameters for plunging breakers over a submerged reef

Abstract

Med den hensikt å demonstrere bruken av kommersiell CFD-programvare for generell bruk for å simulere brytende bølger, simuleres stuper brytende bølger i Simcenter STAR-CCM+ og deres nøyaktighet måles ved å estimere deres null-nedkryss-parametere introdusert av (Kjeldsen et al., 1978). Først utvikles en Numerical Wave-sonde basert på råvolumfraksjonsdata for å korrigere mangler ved programvarens innebygde sonde. Begge NW-sonderne stemmer godt overens. Deretter settes det opp en numerisk bølgetank basert på den fysiske tanken ved NTNU Ålesund for å utlede optimale simuleringsparametere og validere det numeriske oppsettet mot eksperimentelle resultater. Anstendig samsvar er funnet mellom begge tankene, men alvorlig høydedemping er observert med Stokes’ 5th ordre analytiske løsning. Stuper brytende bølger genereres deretter fra 5th knoidale bølger som forplanter seg over et nedsenket rev. De estimerte geometriske parametrene er koherent med de fra referanseartikkelen (Chella, Bihs, and Myrhaug, 2015), til tross for å identifisere to store mangler når det gjelder metoden for å lokalisere bruddsteder og revets skala sammenlignet med bølgehøyden. Eksempler på verdier for de geometriske parameterne for bøyningspunktene introdusert i (Lader, 2002) er også gitt for potensielt fremtidig arbeid.

With the intent of demonstrating the use of a general purpose, commercial CFD software to simulate breaking waves, plunging breakers are simulated in Simcenter STAR-CCM+ and their accuracy is measured by estimating their zero-downcrossing parameters introduced by (Kjeldsen et al., 1978). First, a NumericalWave probe based on the raw VOF data is developed to patch the shortcomings from the software’s built-in probe. Good accordance between both NW probes is found. Next, a numerical wave tank based on the physical tank at NTNU Ålesund is set up to derive optimal simulation parameters and validate the numerical setup against experimental results. Decent accordance is found between both tanks, but severe height damping is observed with Stokes’ 5th order analytical solution. Plunging breakers are then generated from 5th order cnoidal waves propagating over a submerged reef. The estimated geometric parameters are coherent with those from the reference article (Chella, Bihs, and Myrhaug, 2015), despite identifying two major shortcomings regarding the method to localize breaking locations and the reef’s scale compared to the wave height. Examples of values for the inflection points geometric parameters introduced in (Lader, 2002) are also provided for potential future work.