In dit artikel zullen wij de botskrachten en de golfvorm van een enkele golf die tegen een wand botst, vergelijken met gegevens uit twee verschillende artikelen. Beide artikelen gebruiken verschillende simulatiemethoden voor de vloeistof. Het ene artikel maakt gebruik van de FSID (Free surface Identification) numerieke simulatiecode (niet-lineaire 2D bi-vloeistofpotentiaalcode ontwikkeld door SLOSHEL JIP), het andere artikel van de SPH (smooth particle hydrodynamics) methode.

1. Simulaties van brekende golfimpact op een stijve wand op twee verschillende schalen met een tweefasig samendrukbaar SPH-model – P.M. Guilcher, L. Brosset, N. Couty, D. Le Touzé – 2013
2. Numerieke studie van de invloed van de dichtheidsverhouding op de globale golfvormen voor de impact – S. Etienne, Y-M. Scolan, L. Brosset – 2018

Setup

In de onderstaande afbeelding wordt het domein van de simulatie getoond. Merk op dat de golf die in de afbeelding wordt getoond, alleen dient ter visualisatie, en niet de gebruikte golf is. Het domein is 2-dimensionaal met een hoogte van 12 m en een lengte van 20 m. Een elliptische helling is toegevoegd met een verticale halve dimensie van 2,8 m en een horizontale halve dimensie van 18 m.

Figuur 1: golfgebied [Etienne et. al. (2018)]

Met de beginwaarden die in de voorbeelddocumenten zijn gebruikt, levert dit de volgende vergelijking op:

De waarde van 0,78 voor de variabele xp is bepaald aan de hand van de FSID-resultaten. Verandering van deze waarde verandert de golven, met grotere of kleinere gasbellen (of helemaal geen gasbellen) als gevolg van de aanwezigheid van de elliptische bathymetrie. In dit geval zal de waarde van 0,78 ons een golf geven met een grote gasbel die tegen de wand botst.

Simcenter STAR-CCM+ 2020.1 werd gebruikt voor deze simulatie. De volume vloeistof (VOF) methode is gebruikt, waarbij de lucht als een ideaal gas is gemodelleerd en water als een vloeistof met constante dichtheid, met een dichtheid van 1000 kg/m3. De zwaartekracht is aanwezig, met een waarde van 9,81 m/s2 in negatieve y-richting. De zwaartekracht, in combinatie met de helling op de bodem, genereert de golf.

Mesh

Voor de mesh wordt een 2-dimensionaal veelvlakkig mesh gebruikt. De cellen in de buurt van de botswand (tussen x = 0m en x = 4m) hebben een grootte van 2,5cm, terwijl de cellen in de rest van het domein een grootte van 5cm hebben.

Resultaten – drukverdeling

Het gebied dat voor de golfimpact van belang is, bevindt zich boven een hoogte van 4 meter en onder 8 meter. Boven 8 meter is er alleen lucht, zonder significante drukveranderingen. Tussen het 4 en 2,8 meter punt (2,8meter is de verticale halve afmeting van de helling) op de wand is voortdurend water aanwezig. Daarom treden daar in deze simulatie geen grote drukveranderingen op. Om deze reden worden deze twee gebieden niet geëvalueerd.

In de twee figuren hieronder wordt een vergelijking gemaakt tussen onze simulatie uitgevoerd in Simcenter STAR CCM+ 2020.1 en de simulatie uitgevoerd met SPH [Guilcher et al. (2013)]. De eerste drukpiek uit de STAR CCM+ simulatie bevindt zich op dezelfde plaats, maar resulteert in een lagere maximumdruk (4 bar versus 11 bar). Het verkleinen van de maaswijdte tot 1 cm in het gebied 0m < x < 4m verhoogt echter de maximale drukpiek van Simcenter STAR CCM+ 2020.1 tot 14 bar, wat aangeeft dat de maaswijdte belangrijk is voor de drukpiek.

In de drukfiguur kunnen drie pieken worden onderscheiden.

1. De eerste piek is om 2,103s wanneer het water voor het eerst de wand raakt op ongeveer 6m hoogte. Dit veroorzaakt de hoogste drukpiek van 4,6 bar.
2. De tweede piek is om 2.138s, wanneer het van de golfkam komende water tegen het van onderen komende water duwt, waardoor een iets kleinere hogedrukpiek van 3,7 bar ontstaat.
3. Bij 2,155 kan de derde piek worden geïdentificeerd, deze is het gevolg van de interactie tussen het water en de gasbel

Resultaten – Golfvormen

In de onderstaande afbeeldingen zijn de golfvormen van de FSID simulatie [Etienne et. al. (2013)] en Simcenter STAR CCM+ 2020.1 weergegeven. De golfvormen zijn vergelijkbaar, maar in STAR CCM+ beweegt de top van de golf meer naar beneden dan in FSID.

Conclusie

De golfvormen van FSID/SPH en STAR CCM+ komen goed overeen, waarbij de door STAR CCM+ gegenereerde golf een iets lagere top heeft. De eerste piek van de impactdruk is ook iets lager, hoewel dit ook te wijten kan zijn aan de gekozen maaswijdte.