Numerical analysis and discrete approximation of a dispersive shallow water model

Analyse numérique et approximation discrète d'un modèle dispersif en eau peu profonde

Nora Aïssiouene (1, 2)

1 LJLL - Laboratoire Jacques-Louis Lions
2 ANGE - Numerical Analysis, Geophysics and Ecology

In this PhD thesis we are interested in the numerical approximation of a dispersive shallow water system, aimed at modeling the free surface flows (e.g. ocean and rivers) and motivated by applications for natural hazards and sustainable energy resources. This model is a depth-averaged Euler system and takes into account a non-hydrostatic pressure which brings crucial information for understanding the behavior of the flow, particularly when dispersion occur. We develop a numerical method for the one- and the two-dimensional dispersive shallow water system with a topography. The approach is based on a prediction-correction method initially introduced by Chorin-Temam, and we establish a global framework in order to easily increase the order of accuracy of the method. The prediction part leads to solving a shallow water system for which we use finite volume methods, while the correction part leads to solving a mixed problem in velocity and pressure. We propose a variational formulation of the mixed problem which allows us to apply a finite element method with compatible spaces. In this framework we establish compatible boundary conditions between the prediction part and the correction part. The method is performed for the one-dimensional model and for the two-dimensional problem on unstructured grids. In order to make the method practical for real geophysical cases, we have derived a scheme able to treat wet/dry interfaces and to this end we give many examples to test its performance. Moreover, we provide a comparison of simulated solutions with data from laboratory experiments.

Dans cette thèse, on s’intéresse à l’approximation numérique d’un modèle d’écoulement dispersif en eau peu profonde. Les applications visées par ce type de modélisation sont nombreuses (écoulement dans les océans, les rivières, etc) et cette thèse est motivée en particulier par les risques naturels et la production d’énergie renouvelable. Le modèle étudié a été dérivé par moyenne selon la verticale des équations d’Euler et prend en compte la pression non-hydrostatique. Il est alors nécessaire de résoudre un système de type incompressible; ce qui nous amène à résoudre une équation elliptique en pression. Nous proposons une méthode numérique pour résoudre le système dispersif avec topographie pour les modèles 1D et 2D. L’approche développée est basée sur un schéma de type prediction-correction, initialement introduit par Chorin-Temam pour les équations de Navier-Stokes. Nous définissons un cadre générique qui permet de concevoir un schéma valable en 1D et 2D et aussi de pouvoir augmenter l’ordre de précision. Ainsi, nous proposons une formulation variationnelle qui nous permet d’appliquer la méthode des éléments finis avec des choix d’espaces compatibles. Le travail effectué étant destiné à simuler des processus géophysiques réels, la méthode a été conçue pour pouvoir traiter les transitions de sol sec/mouillé et cette propriété a été confirmée par plusieurs tests numériques. Afin de valider la méthode, nous présentons la comparaison entre certaines solutions analytiques et leurs simulations numériques.

Mots clés: Free surface flows; Depth-averaged Euler; Dispersion

Mots clés: Ecoulements à surface libre; Dispersion; Pression non hydrostatique; Propagation des ondes; Schéma prediction-Correction; Éléments finis

Domaines: Analyse numérique [math.NA]

Nora Aïssiouene. Numerical analysis and discrete approximation of a dispersive shallow water model. Numerical Analysis [math.NA]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2016. English. ⟨NNT : 2016PA066494⟩. ⟨tel-01418676v2⟩