Моделирование турбулентных потоков вблизи берегозащитных сооружений с использованием различных моделей турбулентности

Введение. Уменьшение ширины пляжей вследствие эрозии является важной проблемой, которая может решаться или, напротив, усугубляться берегозащитными сооружениями. Моделирование разбивающихся волн вблизи побережья и вокруг прибрежных сооружений может быть использовано для определения их воздействия на динамику развития береговой зоны. Целью работы является моделирование и анализ динамики турбулентных структур вокруг одиночной буны, полученных с использованием двух схем моделирования турбулентности RANS и LES.
Материалы и методы. Исследована турбулентность, вызванная разбивающимися волнами. Моделирование было основано на батиметрических измерениях, проведенных на участке побережья Азовского моря и трехмерной модели волновой гидродинамики, дополненной различными конфигурациями расчета турбулентности.
Результаты исследования. Получены результаты моделирования волновых процессов, генерирующих турбулентные потоки, при наличии берегозащитных сооружений с использованием различных моделей турбулентности. Результаты, полученные на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS), сравниваются с результатами подхода моделирования крупных вихрей (LES) с динамической подсеточной моделью Смагоринского (DSM).
Обсуждение и заключения. Результаты показали, что высоты волн, смоделированные LES, были выше, чем те, которые были смоделированы RANS в передней и подветренной областях берегозащитного сооружения и были ниже в верхней его части. Значит, согласно LES, после прохождения над буной было сохранено большее количество энергии волны. Векторы скорости водной среды показывают, что при использовании LES образовался вихрь, однако в случае RANS не было обнаружено никаких свидетельств образования таких турбулентных вихрей, что подтверждает лучшую производительность LES для моделирования турбулентности в прибрежной зоне. Согласно представленным результатам, LES является лучшим инструментом для генерации турбулентности в условиях набегающей волны в инженерных практиках.

1. Alekseenko Е., Roux B., Sukhinov А., Kotarba R., Fougere D. Coastal hydrodynamics in a windy lagoon. Nonlinear Processes in Geophysics. 2013;20(2):189–198. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.02.003

2. Chang Y.S., Hanes D.M. Suspended sediment and hydrodynamics above mildly sloped long wave ripples. Journal of Geophysical Research ― Oceans. 2004;109:07022. https://doi.org/10.1029/2003JC001900

3. Higuera P., Lara J.L., Losada I.J. Three-dimensional interaction of waves and porous coastal structures using OpenFOAM. Part I: Formulation and validation. Coast Engineering 2014;83:243–258. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2013.08.010

4. Kim Y., Zhou Z., Hsu T.-J., Puleo J.A. Large eddy simulation of dam-break-driven swash on a rough-planar beach. Journal of Geophysical Research – Oceans. 2017;122(2):1274–1296. https://doi.org/10.1002/2016JC012366

5. Lubin P., Vincent S., Abadie S., Caltagirone, J.-P. Three-dimensional large eddy simulation of air entrainment under plunging breaking waves. Coast Engineering. 2006;53(8):631–655. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2006.01.001

6. Miquel A.M., Kamath A., Chella M.A., Archetti R., Bihs H. Analysis of different methods for wave generation and absorption in a CFD-based numerical wave tank. Journal of Marine Science and Engineering. 2018;6:1–21. https://doi.org/10.3390/jmse6020073

7. Protsenko S., Sukhinova T. Mathematical modeling of wave processes and transport of bottom materials in coastal water areas taking into account coastal structures. MATEC Web of Conferences. 2017;132:04002.

8. Ranasinghe R., Larson M., Savioli J. Shoreline responses to a single shore-parallel submerged breakwater. Coastal Engineering. 2010;57(1):1006–1017. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2010.06.002

9. Sukhinov A.I., Chistyakov A.E., Protsenko E.A. Mathematical Modeling of Sediment Transport in the Coastal Zone of Shallow Reservoirs. Mathematical Models and Computer Simulations. 2014;6(4):351–363. https://doi.org/10.1134/S2070048214040097

10. Sukhinov А.I., Sukhinov A.A. Reconstruction of 2001 Ecological Disaster in the Azov Sea on the Basis of Precise Hydrophysics Models. Parallel Computational Fluid Dynamics, Multidisciplinary Applications. 2005:231–238. https://doi.org/10.1016/B978-044452024-1/50030-0

11. Zhou Z., Hsu T.-J., Cox D., Liu X. Large eddy simulation of wave-breaking induced turbulent coherent structures and suspended sediment transport on a barred beach. Journal of Geophysical Research – Oceans. 2017;122:207–235.

12. The official website of Earth observing system. URL: https://eos.com/landviewer/account/pricing (accessed: 16.01.2024)

13. The official website of NASA Worldview. URL: https://worldview.earthdata.nasa.gov (accessed: 18.01.2024)

14. The official website of Roscosmos Geoportal. URL: www.gptl.ru (accessed: 20.02.2024)