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The Hydrodynamics of Wave Energy Convertors 2

(Bordeaux, salle 2 de l’IMB)

This conference addresses the modelling, mathematical analysis and numerical simulation of wave energy convertors and more broadly to wave-structure interactions: conference website

It is organized in the framework of the work packages 3 and 5 of the Excellence Cluster Sysnum as one of two twin events devoted to marine renewable energies organized in Bilbao (the VI Marine Energy Conference, June 25th) and Bordeaux. A Transborder Laboratory of Mathematics and Applications (Transmath) was created in december 2018 to foster collaborations between the Idex of Bordeaux and Euskampus.

As for the first edition of this conference, also supported by the Oceanera-net Midwest and the Fondation Del Duca,  which has held in 2017 at the BCAM in Bilbao, the goal of this conference is to:

1- Focus on PDE and numerical modelling techniques. We will have talks on advanced and recent approaches including
– Depth averaged/Boussinesq type approximation and models
– Potential and Euler models
– Full CFD simulations

2- Give an overview of examples of industrial techniques and applications with several European industrial actors

MathOcean du 25/03/2019

(Bordeaux, salle 2 de l’IMB)

  • 14h00-15h00 Jean-François Filipot (France Energies Marines) : Le projet DiMe: vers une meilleure caractérisation du déferlement dans les états de mer de tempête pour le dimensionnement des machine EMR
  • 15h00-16h00 Damien Sous (Institut Méditerranéen d’Océanologie): Hydrodynamique d’un récif barrière corallien

Jean-François Filipot: Le projet DiMe: vers une meilleure caractérisation du déferlement dans les états de mer de tempête pour le dimensionnement des machine EMR. Dans le cadre du projet DiMe (Dimensionnement et Météocéan : caractérisation des états de mer extrêmes déferlants pour le dimensionnement des systèmes EMR), un consortium de 17 partenaires mènent des recherches dans l’objectif d’affiner la connaissance du déferlement et de ses statistiques en conditions extrêmes. Les travaux s’organisent autour de la définition de nouvelles paramétrisations du déferlement en eau profonde et peu profonde pour les modèles de vagues à phases moyennées et résolues. Ces efforts se nourrissent d’observations collectées depuis le phare de La Jument, un ouvrage mythique exposé à des états de mer exceptionnellement énergétiques. Cette expérience fait intervenir de manière couplée des observations des vagues et de leur déferlement par stéréo vidéo, radar bande X, houlographe, ADCP. Elles devraient permettre d’interpréter les mesures d’accélération et de pression s’exerçant sur le phare.

Damien Sous: Hydrodynamique d’un récif barrière corallien. Les vagues jouent un rôle déterminant dans les processus côtiers: érosion, submersion, circulation et transport des masses d’eaux, sédiments, contaminants et nutriments. Un point clé de la transformation de la houle à l’approche du rivage est la prise en compte des terrains complexes, type rocheux ou récifaux qui s’écartent souvent des hypothèses posées pour les plages sableuses ouvertes. En particulier, les fortes pentes et la complexité géométrique des fonds ont une forte influence sur les processus de réflexion, déferlement et dissipation des vagues et ondes longues associées. Le travail de recherche présenté ici vise à comprendre le fonctionnement hydrodynamique des récifs barrières, où les interactions entre vagues, niveaux moyens et courants sont largement controlés par la bathymétrie. La compréhension de ces processus complexes nécessite la combinaison de mesures sur le terrain et de simulations numériques. Le site atelier choisi est le récif barrière de Ouano en Nouvelle Calédonie. L’exposé présentera les méthodes utilisées et leur limitations, les résultats obtenus ainsi que les travaux encore en cours sur les questions en suspens.

Mathocean du 21/01/19

(Bordeaux, salle 2 de l’IMB)

  • 14h00-15h00 Nicolas Barral (Imperial College London) : Framework pour des simulations côtières avec adaptation de maillage anisotrope
  • 15h00-16h00 Kevin Martins (EPOC): Wave transformation in the surf zone: new insights from 2D LiDAR scanners

Nicolas Barral: Framework pour des simulations côtières avec adaptation de maillage  anisotrope. La plupart des simulations numériques pour l’ingénierie marine requièrent la modélisation de larges zones géographiques, alors que la quantité d’intérêt est très localisée (par exemple les systèmes de génération d’énergie marémotrice, ou l’étude de l’impact de tsunamis sur des zones habitées ou à risque). La taille des domaines considérés, combinée à la haute précision requise conduisent généralement à des simulations très coûteuses en temps de calcul.
L’adaptation de maillage a démontré depuis une vingtaine d’années son efficacité pour améliorer la précision numérique tout en réduisant le temps de calcul en permettant un contrôle fin de la répartition des degrés de liberté. En particulier, l’adaptation de maillage anisotrope tire parti de la flexibilité des maillages non structurés, et permet d’optimiser à la fois la taille et l’orientation des éléments du maillage. La génération de ces maillages adaptés est basée sur des champs de métriques Riemanniennes, eux-même dérivés d’un estimateur d’erreur, a priori ou a posteriori. La construction de cet estimateur d’erreur, propre au modèle étudié, est essentiel au processus d’adaptation. Dans cette présentation, on considère des métriques « multi-échelles » basée sur la Hessienne des champs de solution, qui sont capables de capturer les différentes échelles des dynamiques océaniques et des structures d’ingénierie étudiées.
L’efficacité de ces estimateurs d’erreur peut être considérablement améliorée en considérant des approches dites « goal oriented », qui sont en cours de développement dans notre framework: en considérant l’adjoint de la solution dans le modèle d’erreur, seuls les phénomènes physiques ayant une influence sur une certaine quantité cible sont maillées et résolues avec précision.
Dans cet exposé, je présenterai l’implémentation d’un framework permettant de réaliser de telles simulations adaptatives dans notre code de simulations côtières Thetis, s’appuyant sur son intégration sous-jacente avec PETSc. On considéra des applications pour la modélisation de la propagation de tsunamis, ainsi que la modélisation de structures de générations d’énergie marémotrice (barrages ou turbines).

Kevin Martins: Wave transformation in the surf zone: new insights from 2D LiDAR scanners: Over the last few decades, remote-sensing technology became an essential tool for improving our understanding of nearshore processes. Very recently, the application of lidar scanners (Light Detection And Ranging) to study swash zone hydrodynamics and morphodynamics was made possible thanks to the initiatives of few researchers. In this talk, I will present my PhD work, in which we explore the use of 2D lidar scanners to monitor the time-varying surface elevation of breaking waves in the surf zone. The surf zone constitutes one of the most challenging environments where to deploy instruments, due to the energetic wave conditions often found there. Hence, obtaining direct measurements of wave profiles at a high sampling rate represents a unique opportunity to better understand wave transformation in the surf zone.
In the first part, I will describe the working principles of 2D lidar scanners, and its potential applications to study nearshore hydro- and morphodynamics. In a second part, we use an innovative laboratory dataset to validate a CFD model of breaking wave in a wave flume at prototype scale (BARDEXII experiments). This numerical model is used to study and quantify the influence of wave reflection, generated at the inner surf/swash zone boundary, on surf zone hydrodynamics at various temporal scales. Then, the main field experiments performed during my PhD is presented. An array of three lidar scanners was deployed from a nearshore pier at Saltburn-by-the-Sea (UK) to monitor waves from the shoaling area and up to the runup limit. New insights on individual wave properties at breaking and on energy dissipation rates in the inner surf zone were obtained and will be presented. I will conclude by briefly describing my current work and how lidar data can be used to improve the parameterizations of physical processes in the surf zone.

MathOcean du 10/12/18

(Toulouse, 14h à l’IMT)

Eliane Becache (INRIA et ENSTA Paris Tech) : minicours sur les PML

Eliane Becache : La méthode des couches PMLs est très populaire pour borner le domaine de calcul dans les problèmes d’ondes et a été  appliquée  à de nombreux modèles  (acoustique, électromagnétisme, élasticité…)  transitoires et fréquentiels.
Cette présentation  commencera par rappeler la définition des  PMLs et leurs propriétés.  Nous nous intéresserons ensuite à leur analyse mathématique, en particulier à des questions de stabilité. Nous présenterons d’abord l’analyse pour des modèles d’ondes transitoires hyperboliques linéaires non-dispersifs  pour lesquels on peut exhiber une condition nécessaire de stabilité. Ces résultats permettent de comprendre pourquoi les PMLs peuvent devenir instables dans certains milieux anisotropes et donnent des pistes  pour construire des PMLs stabilisées. Nous aborderons ensuite des questions de convergence des PMLs pour des problèmes fréquentiels dans des guides d’ondes, qui mettent en évidence des différences étonnantes par rapport au cas transitoire. Nous finirons par des résultats  plus récents concernant des modèles linéaires dispersifs ainsi que par les problèmes qui restent ouverts.

MathOcean du 26/11/2018

(Bordeaux, salle 2 de l’IMB)

  • 14h00-15h00 Anne Mangeney (Institut de Physique du Globe de Paris): Recovering ice mass loss in Greenland from seismic data and mechanical modelling.
  • 15h00-16h00 Lisl Weynans et David Lannes (IMB): Generating boundary conditions and floating objects in Boussinesq systems.

Anne Mangeney (Institut de Physique du Globe de Paris) Recovering ice mass loss in Greenland from seismic data and mechanical modelling (joint work with Amandine Sergeant, Pauline Bonnet, Vladislav Yastrebov, Olivier Castelnau, Eléonore Stutzmann, Jean-Paul Montagner, and Patrick Quetey). Quantification of ice mass loss is a key issue to better understand the impact of climate change and in particular to constrain regional and global circulation models. The Greenland ice sheet is losing mass as a result of both increased surface melting and runoff and increased ice discharge from marine-terminating outlet glaciers. Ice discharge at these glaciers includes submarine ice melting and iceberg production. Calving of icebergs generate glacial earthquakes of magnitudes up to 5 that can be recorded at 100’s of km from the source. These waves result from the forces applied by km-scale icebergs against the terminus face, as they slowly capsize. Long-period inversion of the recorded seismic signal makes it possible to calculate these forces. Former studies failed to recover iceberg volume from the earthquake magnitude or from the maximum force due to the complex physical processes involved. We recently showed that numerical modelling of the iceberg capsize taking into account the interplay between these processes help constraining seismic inversion, making it possible to recover icebergs volume. This coupled seismic and modelling approach allows to monitor ice-mass loss from iceberg capsize in Greenland over a 20-year period of recorded glacial seismicity and to investigate its relation to climate change, ocean temperature, or glacier dynamics.

Lisl Weynans et David Lannes: Generating boundary conditions and floating objects in Boussinesq systems. Boussinesq systems are dispersive perturbations of the (hyperbolic) nonlinear shallow water equations, and are widely used for applications in coastal oceanography and more recently for the description of wave-structure interactions (eg for marine renewable energies). We shall consider two different phenomenons in this talk, in which we exhibit a dispersive boundary layer that plays an important role:
– Generating boundary conditions: for numerical simulations, one quantity (eg the surface elevation) is known at the entrance of the domain, and one is let to solve an initial boundary value problem. The theory is known for hyperbolic systems but there is no general theory in the presence of dispersion. Several techniques have been proposed, which are often difficult to implement and/or time consuming. We present here a simple method based on the analysis of the dispersive boundary layer, and that can be implemented without extra computational cost.
– Nonlinear dispersive waves with a floating object (joint work with D. Bresch and G. Métivier). We consider here a the interaction of wave described by a Boussinesq system with a floating object. We show that the problem can be reduced to a simple transmission problem (and even to an ODE) and show how to solve it by analysing the dispersive boundary layer.