Application d’un modèle CFD pour analyser la structure verticale de l’écoulement dans un environnement vagues-courant

Résumé

L'hydrodynamique de la circulation côtière résulte de la contribution d'une grande variété de phénomènes (courants de circulation à grande échelle, effets de marée, vagues, action du vent, etc.) qui ont des interactions physiques complexes et des échelles différentes. Parmi ces interactions, nous nous concentrons ici sur l'interaction entre les vagues et le courant, particulièrement lorsque le courant présente un cisaillement fort sur la colonne d'eau. Dans le présent travail, l'évaluation et l'analyse des interactions vagues-courant est réalisée grâce à des simulations numériques fondées sur les équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds (Reynolds Averaged Navier Stokes, RANS), appliquées à la modélisation de l'écoulement complet, à savoir vagues et courant simultanément (i.e. sans découpler les deux phénomènes). Le solveur CFD avancé Code_Saturne (ARCHAMBEAU et al., 2004) est employé à cette fin. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales de UMEYAMA (2005). Quatre hauteurs et périodes différentes de vague sont examinées pour chaque cas : (i) vagues seules, (ii) vagues et courant dans le même sens et (iii) vagues s'opposant au courant. Une étude détaillée des changements induits par les interactions vagues-courant sur les profils verticaux de vitesses horizontales moyennes, de contraintes de Reynolds et de viscosité turbulente est présentée.

Translated version: A CFD model application to analyze the vertical structure of flow in the wave-current environment

The nearshore hydrodynamics and coastal circulation result from a variety of phenomena involving complex physical interactions with different scales (large scale circulation currents, tidal effects, waves, wind action, etc.). Among these interactions, we focus on the interaction between waves and currents, especially when the current presents a strong shear over the water depth. In the present work, the evaluation and analysis of wave-current interactions is made through numerical simulations based on Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, applied to the modelling of the complete flow motion, namely waves and currents simultaneously (i.e. without decoupling the two phenomena). The advanced CFD solver Code_Saturne (ARCHAMBEAU et al., 2004) is used for this purpose. Numerical results are compared with experimental data from UMEYAMA (2005). Four different wave heights and wave periods are tested for each case: (i) waves only, (ii) waves following current and (iii) waves opposing current. A detailed study of the modifications linked to wave-current interactions on vertical profiles of mean horizontal velocities, Reynolds stresses and turbulent viscosities, is presented.

Keywords: Wave-current interaction; Reynolds stress; Turbulent viscosity; Code_Saturne.