+ All Categories
Home > Documents > A Numerical Model of the Rough Turbulent

A Numerical Model of the Rough Turbulent

Date post: 01-Jun-2018
Category:
Upload: cecilia-mageski-m-santos
View: 223 times
Download: 0 times
Share this document with a friend

of 14

Transcript
  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    1/14

    CHAPTER

     

    65

     

    A

     

    NUMERICAL

     

    MODEL OF THE ROUGH TURBULENT 

    BOUNDARY

     

    LAYER

     

    IN

     

    COMBINED

     

    WAVE

     

    AND

     

    CURRENT 

    INTERACTION 

    HUYNH-THANH

     

    Son

     

    and

     

    TEMPERVILLE

     

    Andre

     

    Institut de 

    Mecanique

     de 

    Grenoble

     

    B.P. 53X, 38041 Grenoble Cedex, France 

    ABSTRACT

     

    The

     

    turbulent

     boundary-layer flow over 

    flat

     rough beds due 

    to

      wave 

    or

     a 

    combined wave-current nteraction s

     

    tudied  y using  implified  umerical 

    second-order 

    turbulence

     model. 

    The

     

    model

     

    results

      re 

    compared

     with many  ets  

    of

     

    experimental

     

    data.

     

    Excellent

     

    predictions

     

    for

     

    ensemble-averaged

     

    velocities

     

    and

     

    favourable redictions 

    o r

     

    urbulence

     uantities re btained. 

    ariations

     f 

    kinematic 

    and 

    dynamic characteristics

     

    of

     

    boundary-layer

     flow

     with wave,

     

    current 

    and

      ed

     

    oughness 

    parameters

     

    re

     

    etermined. The 

    model

     s

     

    lso

     

    modified o  

    simulate 

    he

     

    scillatory

     

    urbulent

      lo w  ver  ippled  eds. The

     

    mean velocity 

    field  nd 

    he

      istribution of 

    t ime-averaged

     

    urbulence

     quantities 

    re

     calculated. 

    The

     

    validity of he

     

    model 

    s

     

    verified

     hrough  omparison with 

    xperimental

     

    results.

     

    The

     

    performance

     and the 

    limitation

     

    of

     the 

    model

     are discussed. 

    I.

     

    INTRODUCTION

     

    A

     

    knowledge

     of th e 

    boundary

     ayer flow n he vicinity of the 

    ea

     bed is  

    important

     fo r 

    problems

     of 

    coastal

     engineering, in 

    particular

     fo r investigations of 

    coastal erosion, sediment

     

    transport

     

    and

     

    the

     transport of pollutants. 

    Bodies of

     

    water

     

    that

     

    are 

    subjected 

    to

     

    currents 

    and 

    waves,

     

    according

     to 

    their 

    characteristics, produce

     

    a

     

    flat, generally rough 

    bed,

     or

     

    a

     

    rippled 

    bed. 

    In

     

    order 

    to

     

    quantify sediment transport, the amplitude and  d irection of the velocities 

    and

     shear 

    stresses

     

    in the

     boundary layer

    close

     to 

    these

     different 

    shapes

     

    of

     bed

    must

     

    be

     

    known.

     

    Enquiries

     into the

     

    turbulent

     

    boundary layer

     

    generated by a sinusoidal wave are 

    not

     

    recent.

     

    The

     

    experiments

     

    of

     

    Jonsson

     

    (1963),

     

    Horikawa

     

    and

     

    Watanabe

     

    (1968),

     

    Kamphuis

     1975) ,

     onsson 

    nd

     

    arlsen 1976) 

    re oteworthy.

     Recently, 

    experiments 

    have

     

    been

     performed

     using

     laser

     velocimetry,

     

    e.g.

     the experiments of 

    853

     

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    2/14

    854 

    OASTAL ENGINEERING -1990 

    Sumer

     et

     

    al . (1986), Sleath (1987) and  Jensen

     

    et

     

    al. (1989). 

    Theoretically,

     numerous 

    investigations

     exist: from 

    the

     analytical models of 

    Kajiura

     (1968), 

    Brevik

     1981), 

    Myrhaug

     (1982), Trowbridge

     

    and  Madsen

     

    (1984) to

     

    the

     

    numerical

     

    models

     

    of Bakker 

    (1974),

     

    Johns

     

    (1975),

     

    Sheng

     

    (1984),

     

    Fredsoe

     

    (1984),

     

    Asano

     

    and

     

    Iwagaki

     

    (1986) ,

     

    Blondeaux

     1986) , 

    ustesen

     1988) , heng 

    nd

     Villaret 1989).

     lso 

    o

      e

     

    mentioned

     s 

    he

      emi-empirical model 

    of 

    Jonsson 1980), 

    which proposed

     

    universal

     

    distribution

     

    la w

     

    fo r  the

     

    velocity

     

    in

     

    the

     

    boundary

     

    layer. 

    As 

    far

     as

     

    the

     

    boundary

     layer

     due

     

    to

     

    th e

     

    interaction between

     

    a

     

    current

     

    and

     

    a

     

    wave 

    is concerned,

     few

     experiments

     

    are available, among

     

    which only those of 

    Van

     Doom  

    (1979),

     

    Simon

     

    et

     al. (1988) pertain to

    the turbulent

     

    and

     hydraulically rough case 

    that

     

    is

     of

     

    interest

    to

     us . After the analytical 

    model

     of

     

    mixing length d ue

     to

     Bijker (1967), 

    other an alytical

     models are based

     

    on the

     time-invariant turbulent viscosity,

     as

     

    in

     

    the 

    case

     of

     

    a

     

    wave

     

    :

     

    Lundgren

     

    (1973),

     

    Smith

     

    (1977),

     

    Grant and

     

    Madsen

     

    (1979),

     

    Tanaka

     

    and

     Shuto 

    1984) ,

     Myrhaug 

    1984) , Asano

     

    nd Iwagaki

     

    1984) .

     For

     numerical 

    models, hat 

    of 

    the mixing

     

    length 

    due 

    to

     Bakker

     

    and

     Van

     

    D oom 

    1978),

     Van  

    Kerstern

     and Bakker (1984) as well as that of

     

    Fredsoe (1984), which assumes a 

    logarithmic velocity 

    distribution.

     

    Models

     with 

    more

     

    or

     less complicated turbulent 

    closure

     

    are

     

    also

     applied

    to

     

    this

     problem:

     Sheng (1984), 

    and  Davies

     et

     al .

     (1988).

     

    To investigate 

    the

     

    effect

     of

     

    wave and 

    current

     on 

    the

     

    boundary

     

    layer,

     we have 

    selected he

      econd

     order 

    urbulence

     

    model hat

     

    w as 

    riginally

     

    uggested 

    by

     

    Lewellen

     (1977) 

    and simplified 

    by Sheng (1984), Sheng

     and Villaret

     (1989) fo r

     

    the 

    one

     

    dimensional 

    flows.

     

    A

     simplified 

    three

     

    dimensional version 

    of

     

    th e 

    model

     

    is

     

    actually developed 

    fo r

     the

     

    case 

    of

     a wave without

     

    and 

    with 

    current.

     

    The

     

    numerical 

    results

     

    are

     

    compared 

    with

     experimental results

     in 

    order to verify

     the 

    validity of 

    the

     

    model. 

    In

     the

     

    last

     

    section, the model

     

    is

     

    written

     

    in

     

    orthogonal

     

    curvilinear 

    coordinates

     

    in

     order to

     

    investigate oscillatory

     

    turbulent

     

    flow over a

     

    rippled

     

    bed. The

     results

     

    obtained 

    are also

     compared

     with 

    the

     experimental

     results

     fo r

     

    the case of symmetric  

    and

     

    asymmetric

     

    ripples. 

    II. 

    BOUNDARY LAYER ABOVE A FLAT BED

     

    II-1.

     

    Equations

     

    f

     

    the

     

    model

     

    The

     

    problem is treated 

    in

     cartesian coordinates (x,y,z) with the z 

    axis

     

    directed

     

    upwards (Fig.  ). 

    The

     flat 

    horizontal

     bottom is 

    fixed

     at z = zo = kN/30, where k^ 

    represents the

     

    equivalent

     

    Nikuradse roughness. 

    The

     system of equations is established with 

    the

     following assumptions: a) the 

    thickness

     of

     

    the 

    boundary

     layer

     is

     

    much

     

    smaller

     than the 

    wavelength

     of

     

    the wave;

     

    b) 

    th e

     

    amplitude

     of

     th e

     

    wave

     

    velocity

     Uh is much

     smaller

     than the 

    wave

     

    celerity

     C. 

    In 

    these

     conditions, 

    the

     mom entum

    equations

     for

    the

     

    tw o

     horizontal components  

    of velocity 

    (u,v)

     along

     x and

    y

     

    can be

     

    written:

     

    3u

     

    3P

     

    d T-T.

     

    ..

      3v

     

    d -r-r,

     

    (1 )

     

    =i._+_(.

    UW

    )

     

    ;

      (2 )

      _ =l_

     

    _(.

    V

    w) 

    3t

     

    dx

      dz t

     

    dy  dz 

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    3/14

    ROUGH TURBULENT BOUNDARY 

    LAYER

     

    855

     

    where th e Reynolds 

    stresses

     -

     

    uV

     

    and

     - v'w' can be 

    modelled

     in  th e form: 

    3u 

    3)

     

    -

     uw  =  v

    t

    3z  

     

    3v 

    -vw

     

    =

      v

    t

     

    dz 

    where

     v

    t

    represents

     th e 

    turbulent viscosity.

     

    The pressure 

    gradients

     

    are

     expressed  as  

    follows

     : 

    4)

     

    .1

     

    3P

     

    auhx  

    3P

    C  

    ap

     

    au

     

    2 2 .

     .1 

    3P

    P 3x

     

    t

     

    P x

     

    y

     

    P y 

    where

     (Uhx. Uhy) are 

    th e

     tw o 

    horizontal

     

    components

     of

     th e

     wave 

    velocity

     

    and P

    represents th e  pressure due to 

    the

     current. 

    Turbulent 

    closure

     is 

    performed

     by means of

     

    tw o 

    equations

     fo r 

    th e

     turbulent 

    kinetic

     

    energy

     K  

    and

     fo r 

    th e

     length scale 

    L

     

    of 

    th e 

    turbulence

     (Lewellen,

     

    1977):

     

    (5 )

     

    (6 )

     

    3K

     

    3t

     

    3L  

    3t 

    [ff-ff]

     

    L

    2

      3z  3z 

    «k

     

    SW. 

    .075

     VTK

     

    + .2 

    —(v

    t

     — 

    3z

     

    3z 

    0.375 VI 

    3(VICL) 

    VK

     

    3z

     

    The

     

    assumption

     of

     

    local 

    equilibrium of th e

     

    turbulence made

     by Sheng (1984)

     

    allows v

    t

     

    to

    be

     put 

    in

     

    the

     

    form:

     

    VKL 

    7)

     

    v,  = 

    VI-

     

    *c0 

    wave direction

     

    current

     

    direction

     

    Fig.

     1  

    Outline

     of

    physical

     system  a nd reference system  ofaxes  flat 

    bed)

     

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    4/14

    856

     

    OASTAL 

    ENGINEERING-1990

     

    At 

    the

     

    bottom

     (z =  2 0 ) 

    the

     

    boundary

     

    conditions

     in all 

    cases

     

    are

     

    the

     following : 

    (8 )

     

    =  v = 0  ; 

    dKJdz

     =  0  ;  L  = azo  with a 0.67, 

    where

     

    the

     

    von Karman

     

    constant

     

    is taken

     

    as

     k

     =

     

    0.4. 

    The

     

    conditions

     

    at

     

    the

     

    upper

     

    limit

     

    of

     

    the

     

    boundary

     

    layer

     

    depend

     

    on

     

    the 

    particular

     

    case

     

    studied,

     

    and

     

    will

     

    be

     

    described

     later.

     

    The 

    set

     

    of 

    equations (1 ) 

    to (8 ) 

    is discretised 

    using

     th e

     

    implicit finite

     

    control 

    volume method (Patankar,

     

    1980) on a

     

    grid

     

    whose step 

    size

     increases

     exponentially

     

    from bottom to 

    top, 

    thus giving good resolution near th e 

    bed

     where gradients are  

    important. The 

    im e

      te p s

     

    constant

     

    over th e 

    whole

     period 

    of

     

    th e wave. 

    Each

     

    discretised equation corresponds to a 

    tridiagonal

     

    matrix

     

    which

     can

     

    be solved by 

    means 

    of

     Thomas's 

    algorithm

    (Roache, 1976). 

    II-2.

     

    ase

     

    of

     

    the

     

    ave

     

    In

     

    th e

     case

     

    of

     

    a unidirectional wave,

     

    th e

     

    above set

     

    of

     equat ions

     

    is solved by 

    taking

     v =  0. The

    pressure

     

    gradient

     is given by: 

    9

    1̂  

    =

     

    Pax

     

    where 

    Uh = Uh

     

    sin

     

    c o t

     is

     th e

     

    wave

     velocity 

    at

     

    the 

    upper 

    limit

     of

     th e 

    boundary 

    layer 

    defined by 

    Z h

     = 5K, R

     

    corresponds 

    to

     

    the

     thickness beyond which 

    K

     is

     zero. 

    The 

    following

     

    approximation

     

    was

     obtained:

     

    0.81

     

    ah.

     

    k

    N

     

    For

     

    z

     

    =

     

    z j ,

     

    the

     

    boundary

     

    conditions

     

    are : 

    (11) =

     

    L

     

    =

     

    0

     

    nd

     

    U

     

    =

     U

    (10) =

     

    0.246

     

    k

    with  h 

    C O  

    *

     Comparison 

    with

     

    experimental

     results  The 

    model

     results 

    were

     compared  

    with

     

    th e

     

    experiment

     

    of 

    Sumer

    et

     

    al. (1986). The

     lower boundary 

    is

     

    at

     

    0

     =

     

    kN/30

     

    =  

    0.0133

     

    cm, and

     

    the

     upper boundary is 

    taken

     

    to

     

    be

     

    at

     Z h =

     

    20 

    cm. The 

    magnitude

     of 

    th e

     

    wave

     

    velocity

     is Uh

     =  10  m/s  nd he 

    period

     T = 

    T C / C O

     .1

     

    . G o o d  

    agreement

    can

     be

     

    seen

     in

     Figure

     

    2

     

    for

     

    the

     velocities, except at

     

    z

     =

     

    0.1

     

    cm.

     

    The values

     

    of

     

    the 

    friction

     

    velocity

     

    u*

     =

     sign

     (-u'w')

     V| 

    -u'w'|

      re  lightly ower than ound  

    experimentally

     

    (Fig. 3).

     

    In

     

    Figure 4 

    the

     

    profiles 

    of 

    th e 

    fluctuating velocities

     Vu'

    2

    and

     

    V  

    w'

    2

     

    are

     

    compared. It

     

    can

     

    be seen

     

    that

     

    there

     

    is agreement

     

    fo r Vu'

    2

     

    fo r  phases 

    between 

    30°

     

    and 

    120°, 

    and

     fo r 

    V

     w'

    2

     fo r

     

    the

     other  

    phases.

     

    Wave  

    friction 

    coefficient:

      In

     

    investigations 

    of

     

    the

     wave 

    boundary

     layer, 

    the

     

    friction

     

    coefficient

     

    fh

     

    introduced by Jonsson

     

    (1963)

     

    is 

    often

     

    used

     

    -

     

    y

     

    fh

     

    Uh

     

    where 

    x

     is

     

    th e amplitude 

    of

     

    the

     

    shear

    stress

     

    at

     th e

     

    bed. The formula fo r fh

     

    that arises 

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    5/14

    ROUGH TURBULENT BOUNDARY 

    LAYER

     

    857 

    from

     

    th e  present model

     

    as follows: 

    (12)

     

    h

     

    = 0.00278 exp 

    -0.22

     

    5

      I S

     

    For 

    comparison,

     

    Figure

      hows

     

    th e

     

    curves

     

    obtained

     

    from

     th e

     

    formulae

     

    of

     

    Kajiura

     

    (1968), Kamphuis

     

    (1975), Jonsson 

    and

     

    Carsen 

    (1976).

     The

     

    curve given

     

    by

     

    (12)

     

    is

     

    close

     to th e

     

    results

    of Kamphuis. 

    Fig.

     2 

    Comparison between th e 

    calculated

     

    velocity profiles  and

     

    those

     

    measured

    by

     Sumer

     

    et

     

    al  1986)

     

    symbols)

     

    for

     

    the

     

    different phases.

     

    Fig.

     3   Comparison

     

    between 

    the shear

     

    velocity calculated

     

    by the

     

    present 

    model —

     and

    that obtained experimentally

     

    by

     

    Sumer et al

     

    1986) 

    (•)

     

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    6/14

    858

     

    COASTAL

     

    ENGINEERING-1990 

    Measurement

     

    30 ° 

    3+ 0

    • 

    60°

     

    Present

     model

     

    10

     

    *t>   30  *

    » /»

     

    1

     /2

     3 

     C0 

    V 7 ?  

    7T- K) 

    3z 

    i« 

    lZ*L 

    +

     K 

    1 / 2  

    120°  

    150°  

    180°

     

    •P   • 

    £

    u

    7

    *)"

    2

     (cm/s)

     

    W

     (cm/s)

     

    Fig.

    4

     

    omparison

     

    between

     th e

     

    fluctuating  

    velocity 

    profiles  calculated by

     

    th e present

     

    model and and 

    those

     

    obtained 

    experimentally b y Sumer et al

     

    1986)

     for

     th e

     different phases. 

    Present model 

    Kajiura 

    Jonsson 

    Kamphuis

     

    ai>/kN  

    Fig.

     

    5

     

    Variation

     

    of

    the

     

    friction coefficientfy

     

    s

     

    a

     

    function

     

    of

    a/ ,

     

    Iks

     

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    7/14

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    8/14

    860  

    COASTAL

     

    ENGINEERING-1990 

    Figures 7  nd 

    show th e 

    variation

     of f

    C

    h

     and f

    c

      s 

    function

     of

     

    Sh/kN fo r 

    different  values

     

    of Z C Q / I C N , Uj/Uh. 

    and 

    < t > h -

     

    From

     

    these

     

    curves,

     

    it

     

    can

     

    be

     

    noted

     

    that or 

    fixed 

    Z c o / k N

     and fa, f

    c

    and

     f

    c

     increase for increasing 

    LyUt,.

     

    The change in f

    c

     

    with

     

    < | > h

     

    is

     

    substantial

     

    only

     

    fo r

     

    LVUh

     

    <

     

    .

     

    When

     

    he

     

    current

     

    is

     

    tronger

     

    than

     

    he

     

    wave

     

    (lyOi,

     

    .5+2), 

    th e influence

     of

     < j > h  on f

    c

     is

     

    not

     

    marked, which means 

    that

     in 

    this

     

    case

     

    th e

     

    mean

     

    characteristics

     of

     the

     

    current  practically

     

    do

     

    not

     

    change

     

    under

     

    the

     

    action  

    of 

    the

     

    wave.

     

    Fig. 7

     

    Variation of th e friction

     

    coefficient

     

    k

      as  function

     

    ofa

    h

     k

    N

    W* JV ,

     

    UJUk

     

    nd  

    j >

    h

    Z c o / k

    N

     = io o  i f c =   0 °

     

    l)U«A4»0  ̂ 2)IMJL-1  3)U«M=1,5  4) UAJk  

    =

     

    Fig.

     

    8  Variation

     

    of the

     

    friction coefficient  as 

    function

     

    ofahlk^,

     

    ZcolkN

     

    UJUf,

     

    nd

     

    fa .

     

    Parameters

     

    and

     

    notations

     

    as

     

    in

     

    Fig.7.

     

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    9/14

    ROUGH

     

    TURBULENT

     BOUNDARY

     

    LAYER 

    86 1

     

    III. B O U N D A R Y 

    LAYER

     O N A RIPPLED B ED  

    III-1.

    Formulation

     f he model 

    The

     physical 

    problem

     is outlined in 

    Figure

     9  under the action of a wave of 

    wavelength 

    Lh,

     maximum

     

    velocity

     Uj,

     

    and

     

    period T,

     

    two-dimensional

     

    vortex

     

    ripples

     

    are

     

    assumed to 

    be

     present on

     

    th e bed. 

    Laboratory 

    and

     in

     

    situ

     measurements

     have 

    shown 

    that 

    Lh »

    L^ .

     This allows us to

     

    restrict

     

    the

     zone 

    of 

    the

     

    calculation

      rather 

    than

     investigating 

    the

     problem over 

    th e

     whole of 

    the

     wavelength

    Lj,, we 

    shall

     

    only 

    consider 

    th e

     

    wavelength

     L

    t

      s  hown 

    n

     Figure 

    9. 

    Moreover , o  implify he  

    description of

     

    th e 

    boundary

     condit ions

      t

     th e  urface 

    of 

    th e 

    ripple 

    nd

      lso o

     

    eliminate

     

    the

     

    unknown

     

    pressure

     

    gradient due

     

    to

     

    the

     

    bed

     

    form,

     

    it  is

     

    convenient

     in 

    this 

    case

     o 

    ransform

     he 

    artesian

      oordinates

     

    x,z) 

    nto

     

    r thogonal

      urvilinear  

    coordinates 

    (X,Z),

     and

     to 

    use

     th e variables 

    \i/ (stream

     

    function) 

    and 

    £ ,

     

    (vorticity) 

    instead

     of

     

    the

     

    velocities 

    u

     

    and

     

    w.

     

    Potent ia l 

    f low

     

    Free

     surface  

    Dom ain o f

     

    calculation 

    Fig. 9 

    Scheme

     of the

     

    physical

     system

     

    rippled

     

    bed).

     

    In

     

    general, 

    th e

     

    coordinate

     

    transformation

     is

     

    given by : 

    (16)

     

    =

     

    +

     £

     

    n

    .

     

    exp

     

    (-

     

    n

     

    k

    r

     Z).

     

    sin

     

    (n

     

    k

    r

     

    n

    )

     

    n=l 

    Z =

     

    z

     

    -

     

    2^ 

    „ .

     exp

     

    (- n

     

    k

    r

     Z). cos (n k

    r

     X 

    n

    n=l

     

    where

     

    n

      nd

     

    8

    n

     

    re

     he  mplitude 

    nd 

    phase difference 

    of 

    the

      th harmonic 

    describing

     the

     ripple, and k

    r

     

    7t/L

    r

     

    s

     he wave  umber  ssociated with L,.  

    The

     

    stream

     

    function

     

    \ |/ and  

    the

     vorticity

     £ ,

     are

     

    defined  by : 

    (17) 

    d\|r 

    •=

     

    3u

     

    3w

     \ i/

     

    — 

    w  —

    dz

     

    x

     

    z

     

    dx

     

    In

     

    coordinates

     

    (X,Z),

     

    the

     

    set

     

    of equations

     

    to

     

    be

     

    solved

     

    is 

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    10/14

    86 2

     

    OASTAL

     

    ENGINEERING  -1990 

    (18)

     

    V

    2

    V

     =

     

    (19)

     

    a t

     

    a

     

    x,

     

    z)

     

    (20

      »  ^M Q 

    1 > 2

     J_L*

    +

     

    ±

    J

     t 

    a x,z)

      ax\ 

    x/

     

    az\  az 

    t

    J

     

    f a V

    2

     

    i

    VtK

     

    -IAK

    J

     

    \a x

    2

      \az

    2

    j

     

    The

     

    length

     

    scale  L  is

     

    assumed

     

    to

     

    vary 

    as

     

    follows : 

    (21)

     

    = aZ^Jl 

    -i

    and

    th e

     

    turbulent

     

    viscosity

     v

    t

     

    is

     determined

    by (7).

     

    In

     th e previous set of equations,  and K are

     

    terms

     pertaining 

    to 

    the

     

    partial

     

    2  

    derivatives

     

    of

     

    \ |/

     

    and

     v

    t

     J

     

    is

     

    the

      jacobian 

    of

     

    the

     

    coordinate 

    transformation

     

    s the 

    laplacian

     

    operator.

     

    The

     

    following

     

    boundary

     

    conditions

     

    are

     

    applied:

     

    At

     

    the

     

    lower

     limit of  

    the

     

    boundary

     

    layer

     

    (Z

     

    =

     

    Zo =

     

    1CN/30) 

    tyjs

     

    V ̂  „.

     

    3K

      , 

    _

      2JXII

    az  ax

     

    Y

     

    az Zi-zo)

    where

     

    \|/i is

     

    the

     

    stream

     

    function

     

    at height

     

    Zi on the second

     

    node of the 

    grid

     (Roache, 

    1976).

     

    At

     

    the

     upper 

    limit

     

    of

     

    th e

     

    boundary

     

    layer

     (Z  

    =

     

    Zj,)

     

    (23)

     = 

    h

     U

    h

     

    (t)  K ; 

    -

     

    A t

     the 

    lateral

     

    boundaries

     (X = 0 

    and

     X 

    =

     

    Lr),

     we 

    assume

     spatially periodic 

    conditions fo r r, 

    \

     and K. 

    The above 

    se t

     of

     

    equations is  discretized

    using

     

    implicit

     

    finite

     difference 

    schemes

     

    (centred 

    in

     

    space

     and forward in 

    time).

     

    The

     alternating direction implicit 

    (A .

     D. I. ) 

    method is

     

    used

     to 

    solve the 

    equations fo r

     \ and K.

     

    The

     Poisson 

    equation

     fo r

     y

     is

     

    solved

     by th e 

    bloc-cyclic

     

    reduction

     

    method

     (Roache,  976) 

    which

     

    allows

     a huge  

    saving

     

    in 

    calculation

     

    time

     

    compared

     

    with

     

    the

     

    Gauss-Seidel

     

    iteration

     

    method.

     

    The

     

    spatial grid

    contains

     

    M xN

     

    nodes

     

    with step 

    AX

     

    =  

    const, and

     AZ 

    varying  exponentially  

    from

     he

     

    bottom upwards.

     The

     

    im e 

    te p 

    s

     

    At

     =T/360

     

    .

     n

     

    ll 

    he

     

    est  ases,

     

    convergence

     

    is

     

    obtained

     

    after 20

     

    calculation

     

    periods.

     

    111-2.Comparison

     

    ith

     

    he

     

    xperimental esults

     

    f Du oit 

    nd

     

    Sleath

     

    1981)

     

    The

     

    dimensional

     

    parameters

     in 

    the

     

    test

     

    fo r

     

    comparison are

     

    the

     fol lowing: 

    -

     

    Symmetric

     ripple

     

    with

     

    Lr

     

    17.2

     cm, h

    r

     

    2.9

     cm, d = 0.04 cm  

    -

     

    Cosinusoidal

     

    wave

      U^ =

     

    Uh 

    cos

     c o t , where U h =

     

    4.3 m/s, =  J C / C O =  

    5.37s  

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    11/14

    ROUGH

     

    TURBULENT

     BOUNDARY 

    LAYER 

    863 

    For

    the numerical calculation, a 17x25 node

     

    grid

     

    was

     

    chosen with AX = 1.0625 

    cm and

     

    AZ

     varying

     

    from 0.056

     cm 

    to

     0.5 

    cm.

     

    The

     equivalent Nikuradse 

    roughness

     

    is

     I C N = 

    2.5

     

    d

     =

     

    0.1 

    cm.

     

    The

     

    upper

     

    limit

     

    is

     chosen 

    to

     be

     

    equal

     

    to

     

    Zj, = 

    5

     

    cm.

     

    Fig.

     

    10  Comparison  between 

    the

     results ofpresent

     

    model

      and

    those 

    of 

    the

     

    measurements

     

    ofDu

     Toit and Sleath  1981)

     for

     

    the t ime

     

    variation 

    of 

    the horizontal

     

    velocity

     u

     

    and of

    the horizontal  

    fluctuating 

    velocity

     

    V  

    2

    .

     

    Measurements

     at 

    height

     z =

     1.65

     

    cm

     

    above

     

    th e

     

    crest

     

    Pn 

    Fig.

     11  Vertical

     variation

     

    of

    the 

    amplitude

     

    of

    the velocity

     u calculated

     (-

    • ) 

    and 

    measured  «—») 

    by Du Toit and Sleath  1981) above the crest. 

    At height z =

     1.65 cm

     

    above

     the

     

    crest 

    (Fig.

     

    0), 

    good agreement 

    can 

    be 

    seen

     

    between

     

    the

     

    amplitude

     of  

    the

     calculated  and measured 

    horizontal

     

    velocities

     u, as well 

    as 

    for the fluctuating

     

    horizontal velocity

     

    Vu'

    2

    .

     

    There

     

    is ,

     

    however,

     

    a

     

    discrepancy

     

    of

     

    25° 

    between

     

    th e

     

    measured

     local peak 

    (tot

     = 

    140°)

     and 

    that

     

    calculated

     

    c o t

     = 165°). 

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    12/14

    864 OASTAL 

    ENGINEERING

     

    -1990 

    The vertical variation of th e amplitude of th e velocity 

    u,

     

    designated

     by u, 

    obtained

     

    from

     

    th e

     

    model

     

    coincides

     

    with

     

    that

     

    measured

     

    above 

    the 

    crest

     (Fig.

      1).  

    Note

     that

    the

     

    z

     

    axis

     is 

    normalized

     

    by

     

    th e 

    parameter 

    =  y

     co/2v 

    =

     

    7.2

     

    m"

    1

     and

     

    z\ is  

    measured

     

    from

    the

     ripple

    crest.

     

    III-3.

    Comparison 

    with

     he 

    xperimental

     esults 

    f

     Sato t 

    l.

     

    (1987)

     

    The

     

    test parameters

     

    are

     

    the

     

    following: 

    -

     

    The

     ripple is 

    asymmetric

     

    with

     Lr =

     

    12 

    cm,

     h

    r

     =

     

    2

     

    cm,

     

    d

     

    = 0.02

     

    cm. 

    - T he

     potential

     

    flow

     is 

    a

     

    third-order

     

    Stokes

     

    wave

     

    (T

     

    =

     

    2 J C / C O =

     4 

    s): 

    U

    h

     =  29,5 (cos

     

    c o t

     +  ,258

     

    cos

     

    2cot +  ,048

     

    cos

     

    3cot) cm/s) 

    For

    the

     

    modelling,

     

    after

     

    determining

     

    the

     

    amplitudes

     a„ 

    and

     

    th e

     phase 

    shifts

     

    0

    n

     

    of

     

    th e 

    simulated 

    ripple, we choosed a 

    grid of

     13x25 nodes with AX =  cm, and AZ

     

    varying 

    from

     

    0.06 

    cm to

     0.6

     cm. 

    The

     time step 

    is

     

    At

     

    =

     0.011  . The upper

     

    limit

     

    is  

    choosen

     at Zh = 

    6.5 

    cm . 

    Figure 12

     shows

     

    the

     comparison 

    between th e

     results 

    of

     

    th e

     

    model and

     

    those

     of

     

    the

     measurement fo r 

    the

     velocity  

    field

     and 

    the

     

    turbulent

     

    kinetic

     energy 

    K

     fo r  phase c o t 

    =

     

    54°.

     

    It can

     

    be

     

    seen

     

    that

     

    the

     

    vortex

     

    obtained

     

    with

     

    the

     

    model

     

    on

     

    the

     

    right hand

     

    leeside 

    of

     

    the

     

    ripple is

     

    weaker than

     

    that

     

    measured,

     

    and

     

    the

     

    calculated  intensity 

    K

     

    is

     

    smaller in  

    th e model than found experimentally. 

    IV. DISCUSSION N D CONCLUSION 

    We

     have examined 

    the

     problem of 

    the

     osc illatory turbulent boundary layer 

    on

     a 

    rough

     

    ea

     

    bed

     

    using

     

    different

     versions 

    of

     

    a

     

    urbulent 

    closure

     

    model

     

    with

     w o

     

    equations,

     one for  

    the

     

    turbulent

     

    kinetic

     

    energy

     

    K

     and 

    the

     other for 

    the

     length scale L. 

    * erformance

     of

     th e 

    model:

     For

     

    a

     

    flat

     

    bed,

     

    a

     simplified 

    three

     dimensional 

    model

     

    w as

     

    used to investigate th e hydrodynamic 

    characteristics

     

    of

     th e flow 

    in 

    th e 

    boundary

     layer

     as

     

    a function 

    of

     

    the

     

    different wave,

     

    current,

     

    angle 

    of

     interaction

     

    and  

    bed

     

    parameters.

     

    For

     the oblique wave-current interaction,

     

    the

     

    model

     

    requires

     

    further

     

    experimental  verifications. 

    For a rippled

     

    bed,

     

    we

     

    have

     

    used

     

    a

     

    two-dimensional

     

    model

     

    that can

     

    reproduce

     

    the

     

    velocity 

    and

     th e vorticity fields 

    as

     well 

    as

     other 

    turbulent

     

    quantities. Comparison

     

    with

     th e experimental results

     shows

     that 

    this

     model 

    is

     

    able

     

    to

     predict quite well th e 

    complex flow

     

    properties over

     

    a rippled bed.

     

    Before applying th e model 

    to

     general 

    cases,

     

    it

     

    would

     

    be

     necessary 

    to

     

    confirm

     

    the

     numerical results

     by

     conduct ing 

    further  

    tests,

     particularly fo r 

    the

     Reynolds

     

    stresses

     and

    the

     turbulent 

    quantities.

     

    *  

    Limitation

     of

    the model

    : As 

    fo r

     

    all

     models of turbulent closure 

    (Rodi,

     1980), 

    the present

     

    model

     

    w as originally designed

     

    fo r

     

    permanent flows

     in 

    the

     

    fully

     

    developed

     

    turbulent

     regime

     

    t high

     

    Reynolds  umbers. 

    When 

    he 

    flow s 

    oscillatory, he 

    condition  of

     

    local

     

    equilibrium

     

    of the

     

    turbulence,

     

    which

     

    is

     

    valid

     

    fo r  a 

    permanent 

    flow, 

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    13/14

    ROUGH TURBULENT 

    BOUNDARY 

    LAYER

     

    865

     

    x cm) 

    x cm) 

    Fig. 12  

    Comparison 

    etween 

    he 

    esults

     

    of

    th e

     

    present

     model 

    and

     the

     

    measurements  

    of

    Sato et

     

    al. 

    1987)

     at

    phase

     c a t =54°.

     

    a)

     

    velocity

     field;

     b)

     turbulent 

    kinetic

     

    energy

     field

     

    is

     

    no

     

    longer

     

    completely satisfied,

     

    particularly at

     

    th e

     

    times

     

    when

     

    th e

     

    velocity

     

    of th e 

    potential flow is small. Consequently

     

    there

     

    is

     a 

    time

     variation of th e friction

     

    in

     

    th e 

    oscillatory

     

    boundary

     layer, which induces the 

    change

     of  flow regime in th e 

    course

     

    of 

    a period. No

     

    such

     

    change

     

    w as

     

    included

     

    in

     

    th e

     

    model.

     

    Thus, to

     

    obtain

     

    more

     

    precise 

    results, 

    it

     

    is

     necessary to improve th e model not  only  fo r  high Reynolds numbers b ut 

    also

     

    fo r

     

    moderate

     

    Reynolds

     

    numbers. 

    In

     

    parallel

     

    with

     

    investigations

     

    into

     

    improvements,

     

    w e

     

    shall apply th e

     

    model to  

    th e

     

    prediction

     

    of

     

    certain

     

    important

     

    parameters

     

    of

     

    th e

     

    natural

     boundary

     

    layer,

     

    together

     

    with

     analysis  

    of sea  measurements

     

    in

     the framework 

    of  th e

     

    GDR

     

    Manche

     

    project. 

  • 8/9/2019 A Numerical Model of the Rough Turbulent

    14/14

    86 6 

    OASTAL ENGINEERING-1990

     

    REFERENCES

     

    ASANO

     T.

     

    an d IWAGAKIY.

     (1984). Proc. 16th 

    Con}. 

    oastal

     Eng.,

     pp. 

    2397

     -

     

    2413.

     

    BARKER

     

    W. 

    T.

     (1974). Proc. 14th

     

    Conf. Coastal Eng., pp. 

    1129

     - 1148.

     

    BARKER 

    W.

     T. an d VAN

     

    DOORN

     

    Th.

     

    (1978).

     

    Proc. 16th Conf.

     

    oastal 

    Eng.,

     pp. 1394-1413.

     

    BUKER

     E.

     W.

     (1967). 

    Delft Hydraul. 

    Lab.

     

    Rep.

     

    50 .

     

    BLONDEAUX

     P.

     (1987).

     /. Hydraul. Res.,

     

    5 (4),

     pp.

     

    44 7

     

    463. 

    BREVIK I.

     (1981). 

    /.

     Waterway 

    Port

     Coastal Ocean

    Div.,

     107 (W W  3) , pp. 

    175 -188. 

    DA  VIES 

    A. 

    G., 

    SOULSBY

     

    R.

     L. an d KING

     

    H.

     

    L. (1988). /. Geophys. Res., 93 (Cl), pp . 491- 

    508.

     

    DU TOIT C. G. 

    and

     SLEATH  

    J.

     F. A. 

    (1981).

     /. 

    Fluid

     Mech., 

    112,

     pp. 71

     

    96 .

     

    FREDSOE

     

    .

     

    (1984).

     Inst. Hydrodyn.

     

    Hydraul. Eng. Tech. Univ.

     

    Denmark. Series paper 35 .

     

    GRANT

     

    W.

     D. and MADSEN O. S. 

    (1979).

     /. Geophys. 

    Res.,

     84 

    (C4),

     

    pp.

     1797 - 1808. 

    HORIKAWA

     

    K.

     

    an d

     

    WATANABE

     

    A.

     

    (1968).

     

    Coastal

     

    Eng.

     

    Jpn.,

     

    1 1 ,

     

    pp.

     1 3

     

    -

     

    28.

     

    HUYNH THANH  S.

     and

     TEMPERVILLE 

    A. 

    1989).

     Proc. 

    23th

      Cong.

     

    IAHR, 

    pp.

     A247- 

    A254.

     

    JENSEN

     B.

     L. , 

    SUMER .

     

    M.

     an d

     FREDSOE 

    . (1989).

     /.

     Fluid 

    Mech.,

     206, pp. 265 -

     

    297.

     

    JONSSON . G. (1963). Proc. 10th Congr. IAHR, pp. 85 - 92 .

     

    JONSSON I. G. and CARLSEN N. A. (1976). 

    /.

     Hydraul. Res.,

     

    1 4 (1), pp. 45 - 60 .

     

    JONSSON  I . G. 

    (1980).

     

    Ocean

     Eng., 7, 

    p.

     109 -152.

     

    JUSTESEN P. (1988). Coastal Eng., 12, 

    pp.

     

    257-284.

     

    KAJIURA .

     (1968).

     Bull. Earthquake Res. Inst., 46,

     pp.

     75 - 123. 

    KAMPHUIS

     

    J.

     

    W.

     

    (1975).

     

    /.

     

    Waterw.,

     

    Harbors

     

    Coastal

     

    Eng.

     

    Div.,

     

    1 0 1 

    (W W

     

    2) ,

     

    pp.

     

    135

     

    -

     

    144.

     

    LEWELLEN W. 

    S.

     

    (1977). In Handbook

     

    of

     turhulence.

     Plenum 

    Publishing

     Corp.,

     

    Vol.

     

    , pp.

     

    237- 280.

     

    MYRHAUG . 

    (1982).

     Ocean

     

    Eng., 9,

     pp. 

    547 - 565. 

    PATANKAR  . 

    (1980).

     Numerical heat ransfer 

    an d

     fluid 

    flows

    McGraw

     

    Hill Book 

    Co.. 

    ROACHE P. 

    J. 

    (1976). Computational fluid dynamics. 

    Eds. 

    Hermosa

     

    Publishers. 

    RODI 

    W. (1980).

     

    Turbulence

     models and

     

    their applications

     

    in 

    hydraulics

    Monograph,

     IAHR, 

    Delft, Th e  Netherlands.

     

    SATO

     

    ., SHIMOSAKO . an d WATANABE 

    A.

     (1987). 

    Coastal

     Eng. 

    Jpn.,

     30 , pp . 89 - 98 .

     

    SHENG

     

    Y.

     

    P.

     

    (1984).

     

    Proc.

     

    19th 

    Conf. 

    Coastal

     

    Eng. ,

     

    pp.

     

    2380

     

    -

     

    2396.

     

    SHENG Y. P.

     

    nd DXARET 

    C.

     (1989). J. Geophys. 

    Res.,

     94 (C10), pp .

     

    14,429 -

     

    14,444.

     

    SIMON

     R.

     R., KYRIACOU

     

    A., 

    SOULSBY 

    R. L.

     and

     DA

     VIES

     A. 

    G.

     

    (1988). 

    IAHR

     

    Symposium

     

    on

     

    Mathematic Modeling of Sediment Transport

     

    in  the Coastal Zone,

     pp.

     33 -  47.

     

    SLEATH 

    .

     F. A. (1987). J. Fluid

     

    Mech., 182, pp. 

    36 9

     - 

    409.

     

    SMITH

     

    . D. (1977). In The 

    Sea

    vol.

     6, 

    Eds.

     Wiley-Interscience,

     

    New 

    York,

     

    pp.

     539 - 578. 

    SUMER

     

    B.

     

    M., ENSEN B. 

    L. 

    an d REDSOE J. 

    (1986). In Advances 

    in

     

    Turbulences, 

    pp. 

    556- 

    567.

     

    TANAKA H. an d SHUTO N. 

    (1984).

     

    /.

     Hydraul.

     

    Res.,

     22 (4), 

    pp.

     

    245

     - 261.

     

    VAN

     

    DOORN 

    Th.

     

    (1981).

     Delft

     

    Hydraul.

     

    Lab.

     

    Rep.

     

    M1423.

     

    P a r t

     

    1 .

     


Recommended