Mathematical and numerical modelling of dispersive water waves

Abstract

En esta tesis doctoral se expone en primer lugar una visión general del modelado de ondas dispersivas para la simulación de procesos tsunami-génicos. Se deduce un nuevo sistema bicapa con propiedades de dispersión mejoradas y un nuevo sistema hiperbólico. Además se estudian sus respectivas propiedades dispersivas, estructura espectral y ciertas soluciones analíticas. Así mismo, se ha diseñado un nuevo modelo de viscosidad sencillo para la simulación de los fenómenos físicos relacionados con la ruptura de olas en costa.

Se establecen los resultados teóricos requeridos para el diseño de esquemas numéricos de tipo volúmenes finitos y Galerkin discontinuo de alto orden bien equilibrados para sistemas hiperbólicos no conservativos en una y dos dimensiones.

Más adelante, los esquemas numéricos propuestos para los sistemas de presión no hidrostática introducidos se describen. Se pueden destacar diferentes enfoques y estrategias. Por un lado, se diseñan esquemas de volúmenes finitos implícitos de tipo proyección-corrección en mallas decaladas y no decaladas. Por otro lado, se propone un esquema numérico de tipo Galerkin discontinuo explícito para el nuevo sistema de EDPs hiperbólico propuesto. Para permitir simulaciones en tiempo real, una implementación eficiente en GPU de los métodos es llevado a cabo y algunas directrices sobre su implementación son dados.

Los esquemas numéricos antes mencionados se han aplicado a test de referencia académicos y a situaciones físicas más desafiantes como la simulación de tsunamis reales, y la comparación con datos de campo. Finalmente, un último capítulo es dedicado a medir la influencia al considerar efectos dispersivos en la simulación de transporte y arrastre de sedimentos. Para ello, se deduce un nuevo sistema de dos capas de aguas someras, se diseña un esquema numérico y se muestran algunos test académicos y de validación, que ofrecen resultados prometedores.