Numerical simulation of wave-body interaction : development of a fully nonlinear potential flow solver and assessment of two local coupling strategies with a CFD solver

Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique et à la simulation numérique des vagues et de leurs interactions avec des corps fixes. Un canal à houle numérique est tout d'abord développé dans le cadre de la théorie potentielle non-linéaire, utilisant le modèle des cellules aux polynômes harmoniques (HPC). Après avoir décrit le formalisme mathématique ainsi que les différentes méthodes numériques, le modèle est testé de manière extensive au travers de comparaisons avec des résultats numériques et expérimentaux pour partie issus d'essais en canal à vagues réalisés au cours de ce travail. Cependant, certains effets physiques sont ignorés dans le cadre de la théorie potentielle. C'est pourquoi une méthode visqueuse RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) - Volume of Fluid (VoF), basée sur la librairie OpenFOAM, est mise en œuvre et testée de manière approfondie, au prix toutefois d'une augmentation significative du coût de calcul. Ainsi, pour réduire ces coûts additionnels, deux approches de couplage unidirectionnel avec le modèle HPC sont développées, toutes deux utilisant la librairie OpenFOAM : (i) une décomposition de domaine, dans laquelle les équations RANS ne sont résolues qu'à proximité du corps, et (ii) une décomposition fonctionnelle, où l'on s'attache à résoudre un problème dérivé sur les variables complémentant les résultats potentiels. Les deux approches sont ensuite validées sur le cas d'un cylindre horizontal de section rectangulaire. De bons accords sont obtenus, que ce soit avec les résultats d'OpenFOAM, mais également en comparaison aux résultats expérimentaux et numériques existants, et ce, avec une réduction importante du coût de calculThis thesis is devoted to the mathematical modeling and numerical simulation of water waves and their interaction with fixed bodies. A numerical wave tank is first developed within the fully nonlinear potential theory, based on the harmonic polynomial cell method (HPC). Following the description of the mathematical formalism as well as the numerical strategies implemented, extensive assessment and validations of the model are performed against both numerical and experimental results, some of which were obtained through dedicated experiments performed in a wave flume during this study. However, some physical effects are neglected with the potential assumptions. Thus, a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) - Volume of Fluid (VoF) method, based on the OpenFOAM library, is developed and extensively tested, at the cost of an increase in the computational resources though. Thus, two one-way coupling approaches with the HPC model are developed within the OpenFOAM library: (i) a domain decomposition method, in which the RANS equations are solved solely in the body vicinity, and (ii) a functional decomposition, where derived equations are solved on variables that complement the potential ones. The two coupling approaches are extensively tested on the case of a horizontal cylinder of rectangular cross-section. Good agreements with the original OpenFOAM results are found, for only a contained part of the computational cost, both in the time-series of loads on the body and the local flow field variables. Predictions of the associated hydrodynamic coefficients are accurate when compared to existing experimental and numerical result