Development of a Numerical Wave Tank Using OpenFoam

Abstract

A modelação numérica constitui uma ferramenta fundamental para o desenvolvimento da engenharia do mar e de dispositivos conversores da energia das ondas. Nesta tese demonstra-se que o software OpenFOAM tem potencial para ser usado na modelação de ondas num tanque, passo preliminar fundamental à modelação futura de objectos flutuantes. Neste trabalho o software de dinâmica de fluídos computacional OpenFOAM é utilizado para modelar ondas computacionalmente. São geradas ondas regulares à entrada de um tanque com recurso às equações de segunda ordem de Stokes. A onda resultante é comparada com valores experimentais reais, em diversos locais ao longo do tanque, obtendo-se uma boa concordância geral. As ondas reais são geradas para o caso em que existe um obstáculo colocado no fundo do canal. Os resultados das simulações apresentam uma boa concordância com os dados experimentais, em especial na zona a montante do obstáculo. Na zona de jusante, a precisão é inferior devido à produção de harmónicos elevados. Constata-se ainda que o software OpenFOAM não permite simular ondas regulares com um declive H/L acima de 0.05. A simulação dinâmica de ondas mostra que é possível modelar diferentes tipos de ondas (spilling, plunging e surging breaking waves) sobre uma superfície inclinada, e constata-se que a extensão da zona de espraiamento simulada coincide com a previsão teórica. Mostra-se ainda que o software OpenFOAM possui capacidades para simular objectos flutuantes que interagem com as ondas geradas através da simulação de um caso simplificado.

Abstract Numerical modelling has become a valuable tool for the ocean enginneering and wave energy industries. This thesis demonstrates that OpenFOAM has the potential to be used to model the formation and propagation of waves, and a floating coastal structure or wave energy device. In this work a numerical wave tank is developed using the computational fluid dynamic software OpenFOAM. Regular waves are generated at the inlet of the wave tank according to the Stokes second order theory. The resulting wave tank is verified against experimental data of regular waves propagating over a submerged bar. The simulation is shown to replicate the experimental values within a good degree of accuracy, although higher harmonic waves released after the submerged bar lead to minor disagreement in results after the submerged bar. In addition to these conclusions, it is found that OpenFOAM is unable to simulate regular waves with a steepness H/L above 0.05. The numerical wave tank is then shown to be able to simulate spilling, plunging and surging breaking waves over a sloped surface, with simulated run-up agreeing with the theoretical run-up range. OpenFOAM is also shown to be able to simulate a floating object that moves in response to regular waves. Keywords OpenFOAM, numerical wave tank, regular waves, breaking wave, wave run-up, floating object