3D numerical modelling of dune formation and dynamics in inland waterways

Résumé : Ce rapport présente et analyse les différentes possibilités de modélisation directe et de grande envergure de la forme du fond des voies naviguables. Cette étude est motivée par le fait que dans la modélisation de rivière, les incertitudes quant à la prédiction de la profondeur et du mouvement du lit, peuvent souvent être affectées par sa forme. La forme du fond constitue le facteur dominant dans le transport solide de nombreux cours d´eau qui nécessitent donc d´être entretenus par les autorités compétantes.Des expériences hydrodynamiques et morphodynamiques ont été menées au sein de l´institut fédéral allemand de la recherche et de l´ingénieurie des cours d´eau (BAW). Des mesures en haute résolution ont été effectuées et ont révélé la formation naturelle de dunes tridimensionelles à l´équilibre avec le champ d´écoulement environnant. Le modèle hydrodynamique est calibré sur cette base de données pour modéliser le régime d´écoulement complexe à travers une suite de dunes tridimensionelles. Les résultats de la simulation montrent qu´il est possible de reproduire le champ d´écoulement turbulent mesuré dans la configuration précédemment citée et que le niveau d´eau mesuré et simulé est également en accord avec cette même configuration. La résolution verticale et horizontale du maillage, le coefficient de friction, la forme du lit à petite échelle et la modélisation turbulente sont identifiés comme paramètres sensibles durant le calibrage.La seconde partie de cette thèse se concentre sur les simulations morphodynamiques de ce même canal expérimental mais cette fois avec un lit mobile. La numérisation du fond mesuré en haute résolution montrant la formation et le développement des dunes au fil du temps, est mis à disposition pour la comparaison. La hauteur et la largeur des dunes tout comme le moment de distribution, l´inclinaison et l´aplatissement sont utilisés pour comparer les dimensions des dunes ainsi que leur forme et leur distribution spatiale. Les formules du transport solide, de l´inclinaison, de l´aplatissement, les conditions aux limites et la considération des éléments de rugosité de sous échelle sont les paramètres qui influencent le plus la qualité des résultats. Durant cette étude, une attention toute particulière a été portée sur l´intégration des fluctuations turbulentes dans le calcul de la contrainte de cisaillement du fond. Un nouveau calcul total de cette contrainte est proposé et incorpore les vitesses d´écoulement principales et l´énergie cinétique turbulente fournit par le modèle turbulent. Grâce à cette approche, le modèle numérique est capable de reproduire quantitativement et qualitativement les dimensions de la forme du lit principal mesurée et les moments de forme des dunes physiques. Cela s´avère être la seule façon de reproduire le bon moment de distribution (aplatissement) du champ de dunes.Finalement, le modèle est appliqué à l´échelle du projet et testé sur une portion de l´Elbe (Allemagne). Les simulations morphodynamiques en haute résolution couplées à l´hydrodynamique-3D sont menées durant plusieurs jours sur la portion de rivière choisit d´une longueur de 4 kilomètres. Les formes des dunes préservent les paramètres de forme et la vitesse des dunes est en accord avec celle mesurée. La simulation montre des résultats prométeurs concernant la possibilité d´un usage opérationel du modèle dans l´avenir. Des problèmes locaux et communs comme les stratégies d´entretien tel que les changements dans les sections transversales d´écoulement, les brises lames et le revêtement sont des missions possibles qui peuvent être examinées
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Thèse
Mechanics of the fluids [physics.class-ph]. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1119〉
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Soumis le : mardi 20 juin 2017 - 11:05:37
Dernière modification le : mardi 6 mars 2018 - 15:58:16
Document(s) archivé(s) le : samedi 16 décembre 2017 - 00:30:04

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Annalena Goll. 3D numerical modelling of dune formation and dynamics in inland waterways. Mechanics of the fluids [physics.class-ph]. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1119〉. 〈tel-01542852〉

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