Minimization of undesired wave reflections at the boundaries of the computational domain in flow simulations with free surface based on the Navier-Stokes equations

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Moustafa Abdel-Maksoud
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 321791315

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

In diesem Forschungsprojekt wurden Verfahren entwickelt, um unerwünschte Wellenreflexionen an den Gebietsrändern insbesondere in finite-Volumen-basierten Strömungssimulationen mit nichtlinearer Wellenausbreitung mittels Forcing-Zonen-Ansätzen (wie beispielsweise Absorbing Layers, Sponge Layers oder Relaxation Zones) zu minimieren. Hierfür wurde eine analytische Lösung für die Strömung in Forcing-Zonen hergeleitet. Mittels der analytischen Lösung können der Reflexionskoeffizient abgeschätzt und die fallabhängigen Parameter der Forcing-Zonen optimiert werden, bevor die Strömungssimulation durchgeführt wird. Die entwickelte analytische Lösung zeigte sehr gute Übereinstimmung mit Ergebnissen aus Strömungssimulationen mit (Hydro-)Akustik- und Meereswellen bei beliebigen Wassertiefen, regelmäßigen und unregelmäßigen Wellen, normal oder schräg zur Forcing-Zone einfallende Wellen, Forcing zu verschiedenen Referenzlösungen und Quelltermen in verschiedenen Erhaltungsgleichungen, sowie lineare bis hin zu stark nichtlinearen Wellen. Es wurden Verfahren vorgestellt, um 3D-Strömungssimulationen mit wellenreflektierenden Körpern in lang- und kurzkämmigen nichtlinearen Fernfeldwellen durchzuführen. Hierbei ermöglichte die analytische Optimierung der Parameter der Forcing-Zonen die Verwendung kleinerer Rechengebiete, wodurch der Rechenaufwand deutlich reduziert werden konnte. Wenn die Parameter der Forcing-Zone anhand der analytischen Lösung optimiert wurden, waren die Simulationsergebnisse für den Reflexionskoeffizienten meist kleiner oder gleich, in keinem Fall jedoch mehr als 3, 4% größer als die analytische Vorhersage. Die entwickelte analytische Lösung ist somit hinreichend genau, um in der Ingenieurspraxis Wellenreflexionen an den Rechengebietsrändern zu minimieren. Zukünftige Forschung könnte sich der Erweiterung der analytischen Lösung sowie der effizienteren und genaueren Berechnung von 3D-Strömungen mit stark nichtlinearen, kurzkämmigen Meereswellen widmen.

Publications

• (2018). Analytical prediction of reflection coefficients for wave absorbing layers in flow simulations of regular free-surface waves. Ocean Engineering, 147, 132-147
  Perić, R., & Abdel-Maksoud, M.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2017.10.009)
• (2018). Reducing undesired wave reflection at domain boundaries in 3D finitevolume-based flow simulations via forcing zones. Proc. 32nd Symposium on Naval Hydrodynamics, Hamburg, Germany
  Perić, R., & Abdel-Maksoud, M.
  
• (2019). Damping of Non-Linear and Irregular Long-Crested Free-Surface Waves Using Forcing Zones. Proc. 11th International Workshop on Ship and Marine Hydrodynamics, Hamburg, German
  Perić, R., & Abdel-Maksoud, M.
  (See online at https://doi.org/10.15480/882.3326)
• (2019). Minimizing undesired wave reflection at the domain boundaries in flow simulations with forcing zones. Dissertation, Technische Universität Hamburg, Hamburg, Germany
  Perić, R.
  (See online at https://doi.org/10.15480/882.2394)
• (2020). Analytical estimate of the reflection coefficient for forcing zones in 3D-flow simulations with nonlinear free-surface waves. Proc. 33rd Symposium on Naval Hydrodynamics, Osaka, Japan
  Perić, R., & Abdel-Maksoud, M.
  
• (2020). Reducing Undesired Wave Reflection at Domain Boundaries in 3D Finite Volume-Based Flow Simulations via Forcing Zones. Journal of Ship Research, 64(01), 23-47
  Perić, R., & Abdel-Maksoud, M.
  (See online at https://doi.org/10.5957/jsr.2020.64.1.23)
• (2021). Improved Simulation of Flows with Free-Surface Waves by Optimizing the Angle Factor in the HRIC Interface-Sharpening Scheme. Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 14, No. 3, pp. 909-920
  Berndt, J. C., Perić, R., & Abdel-Maksoud, M.
  (See online at https://doi.org/10.47176/jafm.14.03.32062)
• (2021). Optimizing Wave-Generation and -Damping In 3D-Flow Simulations When Using Implicit Relaxation-Zones. 6th International Workshop on Water Waves and Floating Bodies (IWWWFB), Seoul National University, Seoul, South Korea
  Perić, R., Vukčević, V., Abdel-Maksoud, M., & Jasak, H.