This paper describes the development of a numerical model for studying the evolution of a wave train, shoaling and breaking in the surf zone. The model solves the Reynolds equations for the mean (ensemble average) flow field and the k –ε equations for the turbulent kinetic energy, k , and the turbulence dissipation rate, ε. A nonlinear Reynolds stress model (Shih, Zhu & Lumley 1996) is employed to relate the Reynolds stresses and the strain rates of the mean flow. To track free-surface movements, the volume of fluid (VOF) method is employed. To ensure the accuracy of each component of the numerical model, several steps have been taken to verify numerical solutions with either analytical solutions or experimental data. For non-breaking waves, very accurate results are obtained for a solitary wave propagating over a long distance in a constant depth. Good agreement between numerical results and experimental data has also been observed for shoaling and breaking cnoidal waves on a sloping beach in terms of free-surface profiles, mean velocities, and turbulent kinetic energy. Based on the numerical results, turbulence transport mechanisms under breaking waves are discussed.

A numerical model NEWTANK (Numerical Wave TANK) has been developed to study three-dimensional (3-D) non-linear liquid sloshing with broken free surfaces. The numerical model solves the spatially averaged Navier–Stokes equations, which are constructed on a non-inertial reference frame having arbitrary six degree-of-freedom (DOF) of motions, for two-phase flows. The large-eddy-simulation (LES) approach is adopted to model the turbulence effect by using the Smagorinsky sub-grid scale (SGS) closure model. The two-step projection method is employed in the numerical solutions, aided by the Bi-CGSTAB technique to solve the pressure Poisson equation for the filtered pressure field. The second-order accurate volume-of-fluid (VOF) method is used to track the distorted and broken free surface. Laboratory experiments are conducted for both 2-D and 3-D non-linear liquid sloshing in a rectangular tank. A linear analytical solution of 3-D liquid sloshing under the coupled surge and sway excitation is also developed in this study. The numerical model is first validated against the available analytical solution and experimental data for 2-D liquid sloshing of both inviscid and viscous fluids. The validation is further extended to 3-D liquid sloshing. The numerical results match with the analytical solution when the excitation amplitude is small. When the excitation amplitude is large where sloshing becomes highly non-linear, large discrepancies are developed between the numerical results and the analytical solutions, the former of which, however, agree well with the experimental data. Finally, as a demonstration, a violent liquid sloshing with broken free surfaces under six DOF excitations is simulated and discussed.

This paper aims at providing a state-of-the-art review on the applications of particle methods in hydrodynamics-related problems in ocean and coastal engineering. The problems are placed into three categories according to their physical characteristics, namely, wave hydrodynamics and corresponding mass (air, oil, etc.) transport, wave-structure interaction, and wave-current-sediment interaction. For the first category, particle-based simulations of wave generation, propagation, breaking, as well as the associated turbulence production and dissipation, air entrainment, and mass transport, are reviewed. For wave-structure interaction, extensive structural types are considered that include fixed and moving (floating) structures, rigid and deformable structures, impermeable and porous structures, etc. For the third category, the latest advances of particle methods in wave/current interaction with sediments, i.e., sediment transport and coastal morphological changes, are outlined. This article also reviews the latest developments of particle methods with respect to enhancement of numerical stability, accuracy, efficiency and consistency in order to handle the multi-physics and multi-scale problems emerging from coastal and ocean engineering practices. Finally, the future perspectives of extending particle methods to a wider range of ocean and coastal engineering applications are highlighted.

The purpose of this research is to develop a new method for automatically optimizing the seawall cross-section with composite slopes and a berm, considering both overtopping discharge and construction cost. Minimizing these competing multi-objectives is highly challenging due to the intricate geometry of seawalls. In this study, the surrogate model optimization algorithm DYCORS (Dynamic COordinate search using Response Surface models) is employed to search for the optimal seawall geometry, coupled with the ANN (Artificial Neural Network) model for determining the overtopping discharge. A total of 20 trials have been run to evaluate the performance of our methodology. Even the worst-performing Trial 7 among these 20 trials shows a satisfactory performance, with a reduction of 17.67% in overtopping discharge and a 12.1% decrease in cost compared to the original solution. Furthermore, compared to other optimization schemes using GAs (Genetic Algorithms) with the same decision vectors, constraints, and multi-objective functions, the methodology has been proven to be more effective and robust. Additionally, when facing different combinations of wave conditions and water levels, there was a 27.8% reduction in objective function value compared to the original solution. The optimal results indicate that this method can still be effectively applied for optimizing the seawall cross-section as it is a general method.