Investigation of a simplified open boundary condition for coastal and shelf sea hydrodynamic models
Date
2015-03
Authors
Shabangu, Patrick Eminet
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT : In general, coastal and shelf hydrodynamic modelling is undertaken with limited
area numerical models such as Delft3D or Mike 21. To conduct successful
numerical simulations these programmes require appropriate boundary conditions.
Various options exist to obtain boundary conditions such as Neumann
conditions, specifying water levels, specifying velocities and combination of
these, amongst others. In this study one specific method is investigated,
namely the specification of water levels on all the open boundaries using a
"reduced physics" approach. This method may be more appropriate than
Neumann conditions when the domain is fairly large and is also of particular
interest as it allows measured data to be incorporated in the boundary conditions,
although the latter was not considered in this study.
The boundary conditions of interest are determined by separating the crossshore
and alongshore components of the momentum equations. To justify the
separation, the equations of motion are firstly non-dimensionalised to determine
the relative importance of various terms and then scaled to determine
under which conditions the cross-shore and alongshore components can be
solved independently.
The efficacy of a computer program, Tilt, to calculate the open boundary
conditions have been investigated for a number of idealised cases. Based on an
understanding of the underlying physics and scaling assumptions, situations
where these open boundary conditions underperformed have been analysed
and reasons given for their underperformance. When applied to "real-life"
situations it is likely that one or more of the scaling assumptions will be violated.
Comment is provided on the likely errors in model simulations should
this occur.
The main conclusions are that the "reduced physics" approach used in Tilt
restricts fairly significantly the range of flow that can be simulated. Should
the scaling assumptions underlying Tilt be satisfied, Tilt performs adequately
for limited area model simulations of coastal and shelf regions, however there
remain some concerns:
• The no flux condition at the coast and clamped water level offshore
AFRIKAANSE OPSOMMING : Oor die algemeen word kus en kontinentale bank hidrodinamiese modellering met beperkte area numeriese modelle soos Delft3D of Mike 21 gedoen. Om suksesvolle simulasies te doen, benodig hierdie programme geskikte randwaardes. Daar bestaan verskeie opsies om randwaardes te verkry soon byvoorbeeld Neuman kondisies, spesifisering van watervlakke, spesifisering van snelheid en kombinasies van hierdie. In hierdie studie word een spesifieke metode ondersoek, naamlik om watervlakke op al die oop rande te spesifiseer deur ’n "gereduseerde fisika" benadering te gebruik. Hierdie metode is meer van toepassing as Neuman randwaardes wanneer die modelleringsgebied redelik groot is en ook van spesifieke belang aangesien dit die inkorporering van gemete data in die randwaardes moontlik maak, alhoewel laasgenoemde nie in hierdie studie ondersoek is nie. Die randwaardes wat van belang is, word bepaal vanaf die momentumvergelykings wat in komponente loodreg op die kus en parallel aan die kus geskei word. Om die skeiding te regverdig, word die bewegingsvergelykings eerstens nie-dimensionaliseer om die relatiewe belangrikheid van terme te bepaal en daarna word die vergelykings geskaal om te bepaal onder watter kondisies mag die komponente loodreg op die kus en parallel aan die kus onafhanklik opgelos word. Die doeltreffendheid van ’n bestaande rekenaarprogram, Tilt, wat gebruik word om die randwaardes te bepaal, word getoets vir ’n aantal ge-idialiseerde toetsgevalle. Gebasseer op die verstaan van die onderliggende fisika en aannames in die skaling, is situasies waar die randwaardes onderpresteer analiseer en redes vir die onderprestering word gegee. Tydens toepassings in werklike situasies is dit heel moontlik dat daar nie voldoen sal word aan al die aannames wat in die skaling gebruik is nie. Kommentaar word oor die moontlike foute wat in die simulasies kan voorkom gelewer indien daar nie aan die aannames voldoen word nie. Die belangrikste gevolgtrekkings is dat die "gereduseerde fisika" benadering in Tilt, Tilt die bereik van die skaal van die vloei wat gesimuleer kan word tot ’n redelike mate beperk. Indien voldoen word aan die aannames in die skaling wat onderliggend is aan Tilt, dan presteer Tilt goed vir beperkte area model simulasies van die kus en kontinentale bank gebiede. Daar is egter wel kommer: • Die geen-vloed kondisie teen die kus en geklampde watervlakke aflandig, beperk die vloei dwars op die kus en dwing vloei parallel aan die kus af. Gevolglik bevredig die oop randwaardes vanaf Tilt vloei tot parallel aan die kus van barotropiese vloei wanneer die simulasies getoets is met winde wat vloei na die kus toe deflekteer as gelog van die Coriolis krag. Waar die wind vloei in ’n aflandige rigting deflekteer, kan redelike groot foute voorkom langs die aflandige rand. Dit is waarskynlik omdat dit ’n lang tyd neem vir die rand langs die kus om sy invloed te laat geld. • Waar nie aan die aannames in die skaling wat onderliggend is aan Tilt voldoen word nie, kan beduidende foute in die oop rande van die model gebied voorkom. Die voorkoms van die foute hang af van die mate waarin daar nie aan die aannames voldoen word nie. Praktiese oplossings vir sommige van hierdie situasies word verskaf.
AFRIKAANSE OPSOMMING : Oor die algemeen word kus en kontinentale bank hidrodinamiese modellering met beperkte area numeriese modelle soos Delft3D of Mike 21 gedoen. Om suksesvolle simulasies te doen, benodig hierdie programme geskikte randwaardes. Daar bestaan verskeie opsies om randwaardes te verkry soon byvoorbeeld Neuman kondisies, spesifisering van watervlakke, spesifisering van snelheid en kombinasies van hierdie. In hierdie studie word een spesifieke metode ondersoek, naamlik om watervlakke op al die oop rande te spesifiseer deur ’n "gereduseerde fisika" benadering te gebruik. Hierdie metode is meer van toepassing as Neuman randwaardes wanneer die modelleringsgebied redelik groot is en ook van spesifieke belang aangesien dit die inkorporering van gemete data in die randwaardes moontlik maak, alhoewel laasgenoemde nie in hierdie studie ondersoek is nie. Die randwaardes wat van belang is, word bepaal vanaf die momentumvergelykings wat in komponente loodreg op die kus en parallel aan die kus geskei word. Om die skeiding te regverdig, word die bewegingsvergelykings eerstens nie-dimensionaliseer om die relatiewe belangrikheid van terme te bepaal en daarna word die vergelykings geskaal om te bepaal onder watter kondisies mag die komponente loodreg op die kus en parallel aan die kus onafhanklik opgelos word. Die doeltreffendheid van ’n bestaande rekenaarprogram, Tilt, wat gebruik word om die randwaardes te bepaal, word getoets vir ’n aantal ge-idialiseerde toetsgevalle. Gebasseer op die verstaan van die onderliggende fisika en aannames in die skaling, is situasies waar die randwaardes onderpresteer analiseer en redes vir die onderprestering word gegee. Tydens toepassings in werklike situasies is dit heel moontlik dat daar nie voldoen sal word aan al die aannames wat in die skaling gebruik is nie. Kommentaar word oor die moontlike foute wat in die simulasies kan voorkom gelewer indien daar nie aan die aannames voldoen word nie. Die belangrikste gevolgtrekkings is dat die "gereduseerde fisika" benadering in Tilt, Tilt die bereik van die skaal van die vloei wat gesimuleer kan word tot ’n redelike mate beperk. Indien voldoen word aan die aannames in die skaling wat onderliggend is aan Tilt, dan presteer Tilt goed vir beperkte area model simulasies van die kus en kontinentale bank gebiede. Daar is egter wel kommer: • Die geen-vloed kondisie teen die kus en geklampde watervlakke aflandig, beperk die vloei dwars op die kus en dwing vloei parallel aan die kus af. Gevolglik bevredig die oop randwaardes vanaf Tilt vloei tot parallel aan die kus van barotropiese vloei wanneer die simulasies getoets is met winde wat vloei na die kus toe deflekteer as gelog van die Coriolis krag. Waar die wind vloei in ’n aflandige rigting deflekteer, kan redelike groot foute voorkom langs die aflandige rand. Dit is waarskynlik omdat dit ’n lang tyd neem vir die rand langs die kus om sy invloed te laat geld. • Waar nie aan die aannames in die skaling wat onderliggend is aan Tilt voldoen word nie, kan beduidende foute in die oop rande van die model gebied voorkom. Die voorkoms van die foute hang af van die mate waarin daar nie aan die aannames voldoen word nie. Praktiese oplossings vir sommige van hierdie situasies word verskaf.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2015.
Keywords
Ocean -- Coast boundary condition, Mathematical models -- Computer Programmes, Mathematical models -- Computer software, UCTD, Oceanography -- Mathematical models, Hydrodynamics -- Mathematical models, Hydrodynamics -- Computer programs