Wave-structure interaction for long wave models in the presence of a freely moving body on the bottom

Interaction vague-structure pour des modèles d'ondes longues en présence d'un objet en translation au fond

Krisztian Benyo (1, 2)

1 IMB - Institut de Mathématiques de Bordeaux
2 UB - Université de Bordeaux

In this paper we address a particular fluid-solid interaction problem in which the solid object is lying at the bottom of a layer of fluid and moves under the forces created by waves travelling on the surface of this layer. More precisely, we consider the water waves problem in a fluid of fixed depth with a flat bottom topography and with an object lying on the bottom, allowed to move horizontally under the pressure forces created by the waves. After establishing the physical setting of the problem, namely the dynamics of the fluid and the mechanics of the solid motion, as well as analyzing the nature of the coupling, we examine in detail two particular shallow water regimes: the case of the (nonlinear) Saint-Venant system, and the (weakly nonlinear) Boussinesq system. We prove an existence and uniqueness theorem for the coupled system in both cases. Using the particular structure of the coupling terms we are able to go beyond the standard scale for the existence time of solutions to the Boussinesq system with a moving bottom.

Nous présentons de nouveaux résultats concernant un problème d'interaction fluide-structure. Nous considérons le problème de Cauchy pour l'équation des vagues dans le cas où le domaine occupé par le fluide est à surface libre et avec un fond plat sur lequel un objet solide se translate horizontalement sous l'effet de la force de pression du fluide. Nous examinons deux systèmes asymptotiques décrivant le cas d’un fluide parfait incompressible en faible profondeur correspondant aux équations de Saint-Venant et de Boussinesq. Nous décrivons le système couplé dans ces deux régimes asymptotiques afin d'établir des résultats d'existence et d'unicité pour des données régulières (au sens de Sobolev). Afin de déterminer le mouvement du solide, une analyse précise des termes asymptotiquement singuliers induits par les forces de frottements est nécessaire, qui, par conséquence, nous assure un temps d'existence dans le régime de Boussinesq.

Mots clés: Long time existence; Water waves; Fluid structure interaction; Shallow water asymptotic model; Saint Venant equations; Boussinesq equations

Mots clés: Equation de Saint Venant; Interaction fluide solide; Asymptotique de faible profondeur; Equation des ondes; Equation de Boussinesq; Existence en temps longue

Domaines: Equations aux dérivées partielles [math.AP]; Physique mathématique [math-ph]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Krisztian Benyo. Wave-structure interaction for long wave models in the presence of a freely moving body on the bottom. 2017. ⟨hal-01665775v2⟩