Har utviklet ny bølgemodell for å forutsi bølgetilstand i fjorder
Teknologi for å kunne beregne hvordan ulike typer bølger oppfører seg er under stadig utvikling. En ny numerisk bølgemodell er et viktig bidrag som kan brukes i planleggingen av bruer, og da spesielt flytebruer.
Weizhi Wang har, med bakgrunn i sin interesse for å forstå såkalte «bølgefelter» i fjorder, jobbet med å videreutvikle modeller for å forutsi hvordan bølger «oppfører seg» under ulike forhold. Hans arbeid er et viktig bidrag i å kunne forutsi med relativt stor grad av nøyaktighet hvor høye bølgene vil være og hvordan de beveger seg i en bestemt fjord.
Hva er bølgemodellering?
Bølgehøyde vil variere fra område til område og avhenge av vindforhold, avstand til land i ulike retninger (strøklengde), og i hvor stor grad området er skjermet mot bølger fra havområdene utenfor.
– Det er begrenset informasjon man kan hente ut fra såkalte «diskrete» feltmålinger i selve fjorden, og dersom man ønsker informasjon om hvordan bølgenes bevegelser forplanter seg utover et stort område, så trenger man å utvikle numeriske modeller, eller numerisk bølgemodellering. Det er både mer kostnadseffektivt, tidsbesparende og gir mer nøyaktige resultater, forklarer Wang.
Bølgemodellering tar utgangspunkt i en dønning som kommer fra havet, og beregner hvordan bølgen utvikler seg etter hvert som den beveger seg inn mot grunnere farvann og inn mot land. I tillegg til dette kan man beregne hvor store bølger som produseres av den lokale vinden langs kysten. Resultatet fra disse to beregningene, altså forplantningen av havdønningen og av de vindgenererte bølgene, utgjør til sammen den totalt anslåtte bølgehøyden.
Hvorfor er bølgemodellering nyttig?
Wang forteller at ved hjelp av slike numeriske modelleringer kan man utvikle et bølgekart som gir et godt bilde av hvordan bølger «oppfører» seg; hvor høye de blir eller hvordan de beveger seg over tid i et avgrenset geografisk område. Denne kunnskapen er nyttig for ingeniører som skal planlegge å bygge konstruksjoner som skal være i tett kontakt med fjorden, eksempelvis flytebruer som kan være aktuelle alternativ for flere fjordkrysninger i prosjektet Ferjefri E39.
Wang utdyper litt mer om sitt forskningsprosjekt, hvor han har konsentrert seg om å utvikle en ny, effektiv og fleksibel numerisk bølgemodell skreddersydd for de spesielle norske kystforholdene:
– De spesielle kystforholdene i Norge begrenser gyldigheten til mange eksisterende bølgemodeller, spesielt fordi flere av de aktuelle fjordene langs E39 er dypere enn fjorder som har blitt undersøkt tidligere. I tillegg er fjordene bredere enn fjorder som har blitt undersøkt før, så det er nødvendig å videreutvikle beregningsmodellene. Mitt prosjekt har handlet om å utvikle en numerisk bølgemodell som kan gi en effektiv og nøyaktig simulering av storstilt bølgeforplantning i norske fjorder, sier Wang.
Den nye modellen er åpen og tilgjengelig for alle
Resultatene Wang har oppnådd kan benyttes også utenom fjordene langs E39. De numeriske modellene kan dekke de fleste aspektene av kystteknikk og er derfor relevante for havnedesign, kystbeskyttelse, havbruk og klimaendringer. Modellene er åpne og tilgjengelige for alle som ønsker å benytte seg av dem, enten det er ingeniører eller universiteter som vil benytte dem i undervisning for studenter innen havteknologi. Bølgemodellene er tilgjengelige i åpen kildekode, og er derfor gratis å bruke for alle.
Lenke til den nye numeriske bølgemodellen
Wangs forskningsprosjekt har resultert i syv vitenskapelige artikler i internasjonalt anerkjente forskningstidsskrifter, og han har presentert sitt arbeid ved ni internasjonale konferanser.
Weizhi Wang har oppnådd doktorgrad ved NTNU (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet) med avhandlingen
«Large-scale phase-resolved wave modelling for the Norwegian coast»
Detaljer om den numeriske beregningsmodellen (for ingeniører)
Basert på det hydrodynamiske rammeverksprogrammet «REEF3D» utviklet ved NTNU, har Wang utviklet to nye faseløse bølgemodeller i løpet av doktorgradsstudiet sitt:
1) REEF3D :: SFLOW, en ikke-hydrostatisk modell for grunt vann med kvadratisk trykk antakelse.
2) REEF3D :: FNPF, en fullt ikke-lineær potensiell flytmodell.
Wang forteller, (på ingeniørspråk) at begge modellene er betydelig raskere enn tradisjonelle CFD-modeller (computational fluid dynamics) og gir faseløste resultater som konvensjonelle spektralbølgemodeller ikke er i stand til gi. REEF3D :: SFLOW er mer egnet for grunne til mellomliggende bølger og dybdeforhold og dynamikk langs kystlinjen mens REEF3D :: FNPF er mer egnet for bølgeutbredelse på dypt til grunt vann.
I REEF3D :: FNPF introduserte han en innovativ kystlinealgoritme som muliggjør å fange den komplekse kysttopografien i de norske fjordene effektivt. I mellomtiden er beregningshastigheten til REEF3D :: FNPF omtrent 1000 ganger raskere enn tradisjonelle CFD-modeller. Som et resultat foreslår vi REEF3D :: FNPF med kystlinealgoritmen for å være en ideell løsning for bølgemodellering i fjordene langs E39.
