Minimizing undesired wave reflection at the domain boundaries in flow simulations with forcing zones

Abstract

In dieser Arbeit wird eine Theorie vorgestellt, welche die Reflexionskoeffizienten von und die Strömung in Forcing Zonen (wie beispielsweise absorbing layers, damping zones, relaxation zones, sponge layers, etc.) für Strömungssimulationen mit (hydro-)akustischen sowie Oberflächenwellen vorhersagt. Die Herleitung basiert auf einer generischen Formulierung von Forcing Zonen, sodass die vorgestellten Ergebnisse auf Forcing Zonen in verschiedenen Strömungslösern übertragen werden können. Die Theorie wird anhand von Ergebnissen ein- bis dreidimensionaler Strömungssimulationen mit (hydro-)akustischen und Oberflächenwellen validiert, einschließlich unregelmäßiger und stark nichtlinearer Wellen. Für Strömungssimulationen mit stark reflektierenden Körpern in langkämmigen Fernfeldwellen wird ein Ansatz basierend auf der Kombination verschiedener Forcing Zonen vorgestellt. Die Mechanismen, mittels derer Forcing Zonen unerwünschte Wellenreflexionen reduzieren, werden untersucht. Der Einfluss der fallabhängigen Parameter von Forcing Zonen wird diskutiert und Empfehlungen für den Einsatz in der Ingenieurspraxis gegeben. Wenn die Forcing Zone anhand der vorgestellten Theorie eingestellt wurde, waren die Simulationsergebnisse für den Reflexionskoeffizienten meist geringer oder nahezu gleich der theoretischen Vorhersage, in keinem Fall jedoch mehr als 3,4 Prozent größer. Die in dieser Arbeit entwickelte Theorie ermöglicht somit die Optimierung der fallabhängigen Parameter von Forcing Zonen bereits vor Durchführung der Strömungssimulation.

In this thesis, a theory is presented which predicts the reflection coefficients and the flow within forcing zones (such as absorbing layers, damping zones, relaxation zones, sponge layers, etc.) in flow simulations with (hydro-)acoustic waves and free-surface waves. The derivation is based on a generic forcing zone formulation, thus the present findings can be applied to forcing zones in different flow solvers in a straightforward manner. The theory is validated against results from 1D- to 3D-flow simulations with (hydro-)acoustic waves and free-surface waves, including irregular and highly nonlinear waves. For flow simulations with strongly-reflecting floating bodies subjected to long-crested far-field waves, a novel approach is proposed based on the combination of different forcing zones. The mechanisms by which forcing zones reduce undesired wave reflections are investigated. The influence of the case-dependent parameters of forcing zones is discussed, resulting in recommendations for engineering practice. When the forcing zone was tuned using the developed theory, the simulation results for the reflection coefficient were in most cases smaller or nearly equal to those predicted by theory, but never more than 3.4 percent larger. The developed theory therefore enables the optimization of the case-dependent parameters of the forcing zone before performing the flow simulations.