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Theses

Modélisation de l’entraînement d’air dans l'eau avec la méthode SPH

Résumé : Les écoulements au sein d'ouvrages hydrauliques – déversement au-dessus d'un barrage, déferlement d'une vague sur une digue, etc. – sont le siège de forts mélanges d'eau et d'air qui se traduisent visuellement par la formation d'eaux blanches à la dynamique complexe. Représenter fidèlement le phénomène d'entraînement/capture des bulles d'air dans l'eau revêt donc un aspect stratégique important pour le dimensionnement de ces ouvrages. La modélisation tant physique que numérique de tels cas s'avère délicate à cause du fort rapport de densité entre les phases et de la nature multi-échelle de ces écoulements impliquant des effets de turbulence et de tension de surface. La méthode numérique SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), approche totalement lagrangienne qui représente l'écoulement comme un ensemble de particules en mouvement sans recours à un maillage, est particulièrement adaptée à la simulation de tels écoulements fortement déformés. Néanmoins, les limites actuelles de puissance de calcul empêchent encore de simuler finement des cas d'application industriels à large emprise en hydraulique. On se propose donc dans cette thèse de modéliser ces écoulements de manière macroscopique via un modèle de mélange qui consiste à voir chaque particule SPH comme un volume de mélange d'eau et d'air en mouvement. On détaille d'abord la dérivation des équations continues de ce modèle de mélange, puis on présente un état de l'art des simulations multiphasiques SPH. A partir du modèle continu et des outils actuels de discrétisation, un modèle de mélange diphasique SPH est ensuite mis en place en vue de son implémentation sur GPU (Graphics Processing Unit). Un accent tout particulier est mis sur les éléments originaux de discrétisation développés, notamment la dérivation d'un schéma aux bonnes propriétés numériques pour le suivi de l'évolution des volumes par phase et l'écriture d'un formalisme de frontières ouvertes pour un mélange. La turbulence, centrale dans le phénomène d'entraînement d’air, est modélisée via un modèle k-ϵ incluant un terme de flottabilité. Ce modèle de mélange est validé sur des cas académiques bidimensionnels de complexité croissante tels que la séparation d'un mélange eau-huile, un écoulement de Poiseuille diphasique, l'instabilité de Rayleigh–Taylor et un lâché de sédiments, illustrant sa polyvalence. La phénoménologie de l'entraînement d'air est ensuite décrite, et le modèle appliqué à des structures communément rencontrées en hydraulique, comme des jets plongeants et des coursiers en marches d'escalier, en introduisant une fermeture spécifique de la vitesse relative entre les phases. Enfin, on présente des premiers cas d'application industriels aux géométries et dynamiques complexes
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Theses
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https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-02869795
Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Tuesday, June 16, 2020 - 11:58:09 AM
Last modification on : Tuesday, July 7, 2020 - 4:56:41 PM

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TH2019PESC1013.pdf
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Identifiers

  • HAL Id : tel-02869795, version 1

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Thomas Fonty. Modélisation de l’entraînement d’air dans l'eau avec la méthode SPH. Hydrologie. Université Paris-Est, 2019. Français. ⟨NNT : 2019PESC1013⟩. ⟨tel-02869795⟩

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