Simulação numérica do escoamento de superfície livre com rebentação de ondas

Abstract

With the growth registered in computational power, numerical models applied to fluid flows is an increasingly important tool for oceanic and coastal engineering, and can be used in studies including energy converters. The main objective of this master’s thesis consists of using a Computational Fluid Dynamics (CFD) software, ANSYS® CFX®, to study a free surface flow with breaking of waves. At first, a Numerical Wave Tank (NWT) is created to study the ability of ANSYS® CFX® to model regular progressive waves. Thus, two different ways of generating waves at the beginning of the Numerical Wave Tank are tested. It was concluded that the implementation of a piston wavemaker provides more accurate results when compared to the Inlet Velocity method. In addition, ways of preventing reflection at the end of the Numerical Wave Tank are analyzed, as well as several parameters in order to optimize the solution. The optimized solution is compared to Stokes second order theory, showing good agreement. It was demonstrated that ANSYS® CFX® is capable of modelling accurately progressive regular waves. However, ANSYS® CFX® is not a good choice to modelling of waves with steepness near the critical deepwater breaking value. It was registered damping of waves and was noted that the period of the waves doesn’t match with the theoretical values. Finally, different breaking of waves are modelled in the surf zone. ANSYS® CFX® was shown to be able to model three types of breaking waves: spilling, plunging and surging.

Com o aumento do poder computacional, a modelação numérica aplicada a escoamentos de fluídos constitui uma ferramenta cada vez mais importante para as engenharias oceânica e costeira, podendo ser aplicada em estudos de conversores de energia. O objetivo desta dissertação de mestrado consiste no uso de um software de dinâmica de fluídos computacional (CFD), ANSYS® CFX®, para o estudo de um escoamento em superfície livre com rebentação de ondas. Numa primeira fase, cria-se um tanque numérico de ondas de modo a estudar a capacidade do ANSYS® CFX® em modelar ondas progressivas regulares. Deste modo, testam-se duas formas distintas de gerar ondas no início do tanque numérico, concluindo-se que a implementação da teoria Wavemaker, do tipo pistão, apresenta melhores resultados. Além disso, são analisadas formas de prevenir a reflexão das ondas no fim do tanque numérico, sendo também realizada uma análise de vários parâmetros de maneira a otimizar a solução. A solução otimizada é comparada com a Teoria de Stokes de Segunda Ordem, mostrando boa concordância. Desta forma é demonstrado que com o uso do ANSYS® CFX® é possível simular corretamente ondas progressivas regulares. No entanto, o ANSYS® CFX® não se mostra como uma boa alternativa para modelação de ondas perto do valor critico de quebra em águas profundas. Registou-se uma elevada amortização da altura da superfície livre e um desfasamento em relação à teoria. Por fim, modela-se numericamente diferentes quebras de onda nas denominadas zonas de surf. O ANSYS® CFX® mostrou ser capaz de simular três tipos diferentes de quebra de ondas: spilling, plunging e surging.