Metodologías CFD eficientes para canales y tanques numéricos de oleaje

Abstract

RESUMEN En esta tesis se presentan metodologías de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para el acoplamiento de modelos de flujo viscoso bidimensionales y tridimensionales con el objetivo principal de desarrollar técnicas eficientes y precisas para el modelado de la interacción oleaje-estructura en canales y tanques numéricos de oleaje.

Las metodologías se desarrollan con el método de volúmenes finitos en OpenFOAM empleando un enfoque multidominio sin zonas de superposición de los dominios numéricos. Se desarrolla un modelo acoplado para resolver las ecuaciones de gobierno en los dominios computacionales bidimensional y tridimensional. Las metodologías de acoplamiento se consiguen utilizando estrategias unidireccionales y bidireccionales aplicadas como condiciones de contorno en las interfaces entre los dominios. Se describen en detalle las estrategias unidireccionales y bidireccionales, el modelo acoplado y los aspectos numéricos.

Las metodologías se validan considerando la propagación de una amplia gama de hidrodinámicas del oleaje sobre fondo horizontal y un conjunto de casos de interacción oleaje-estructura. Los resultados numéricos se corresponden bien con los datos experimentales y las simulaciones tridimensionales. Se demuestra que las metodologías de acoplamiento son muy precisas para transferir la hidrodinámica del oleaje, considerando oleaje regular e irregular incluyendo los mecanismos de generación de segundo orden. Las metodologías demuestran ser precisas y eficientes para predecir la elevación de la superficie libre, los coeficientes de reflexión del oleaje, los campos de velocidad y presión y las cargas del oleaje sobre las estructuras.

Para tener en cuenta la dispersión del oleaje y mejorar el rendimiento de la absorción activa del oleaje reflejado, se desarrolla un sistema de absorción basado en el movimiento de los contornos de absorción y filtrado digital. Se describe en detalle el diseño de los filtros digitales y la implementación del sistema de absorción en el modelo CFD. Dicho sistema se combina con las metodologías de acoplamiento para conseguir un modelo eficiente y mejorado para el estudio de la interacción oleaje-estructura.

ABSTRACT Computational Fluid Dynamics (CFD) methodologies for coupling two-dimensional and three-dimensional viscous flow models are presented in this thesis with the primary focus of developing efficient and accurate techniques for wave-structure interaction in numerical wave tanks. The methodologies are developed in arbitrary polyhedral Finite Volume method in OpenFOAM employing a non-overlapping multi-domain approach. A coupled solver is developed to solve the governing equations in the two-dimensional and three-dimensional computational domains. The coupling methodologies are achieved using one-way and two-way strategies applied as boundary conditions at the interfaces between the two-dimensional and three-dimensional domains. The one-way and two-way strategies, the coupled solver and numerics are described in detail. The methodologies are extensively validated considering first a wide range of wave hydrodynamics in empty numerical wave tanks and then a set of wave-structure interaction cases. The computational results compare well with experimental data and three-dimensional simulations. It is shown that the coupling methodologies are highly accurate to transfer wave hydrodynamics, considering regular and irregular waves and second-order wave mechanisms. The methodologies are proven to be precise and efficient to predict the free surface elevation, wave reflection coefficients, velocity and pressure fields and wave loads on structures. In order to take into account the wave dispersion and improve the wave absorption performance, a near-field active wave absorption system based on moving boundaries and digital filters is developed. The design of the digital filters is discussed in detail and the implementation of the system into the CFD model is described. The active absorption system is combined with the coupling methodologies to achieve an efficient and improved numerical wave tank for wave-structure interaction.