Experimental and numerical study of free surface flows in the presence of emergent to slightly submerged square cylinder obstacles
Étude expérimentale et numérique des écoulements à surface libre en présence d'obstacles émergés et faiblement submergés
Résumé
According to the Ministry of Ecological and Solidarity Transition, floods are the main natural risk in France. As a result of climate change, extreme floods will become more frequent. People and property, such as housing and industrial installations, must therefore be protected against these floods for which data are very scarce or even non-existent. When moving from low to extreme flooding, the spatial extent of flooding in the floodplain varies greatly. The nature of the obstacles encountered varies: low vegetation, trees, houses... These hydraulic obstacles or macro-roughnesses can be emerged, or slightly submerged.The purpose of this thesis work is to analyze the dominant physical processes associated with extreme flood flows in the presence of emerged or slightly submerged obstacles. This thesis is organized in two parts: an experimental part and a numerical part.The experimental part concerns the exploration, in a laboratory channel, of the vertical structure of the velocity profile and the geometric effects related to the studied configuration representing an urbanized floodplain with immersion rates of (dollar symbol) D/h = 0.42, 0.93, 0.98(dollar symbol) and (dollar symbol)1.48(dollar symbol) ((dollar symbol) D(dollar symbol) being the water depth and (dollar symbol)h(dollar symbol) the obstacle height). ADV and PIV measurements of mean velocities and turbulent fluctuations have shown that flow properties change significantly depending on whether the obstacles are emerged or slightly submerged. The interactions between vortex detachment, the free surface, obstacles, and bottom roughness are studied.The numerical part analyses different types of modelling conventionally used to simulate flood events. The experimental case of the thesis serves as a reference.First, an analytical model based on the conservation of momentum of an elementary hydraulic volume allows considering different models of the overall flow resistance to obstacles in a uniform regime. The first simple model integrates the resistance to flow due to bottom friction and obstacles in a single "friction" type term. A second model divides the flow resistance into two parts: a bottom friction term and an obstacle resistance, represented by a drag coefficient. The obstruction to the flow is then represented by a porosity coefficient.The analysis focuses on the ability to use friction or drag coefficients calibrated for the lowest flow rates to simulate high flow rates, and in particular, the transition from emergent to submergent obstacle flows.Then, the obstacles are explicitly represented in a two-dimensional Shallow-Water model. Mesh convergence is studied and a comparative analysis of experimental and simulated results is conducted.Furthermore, the ingluence of the geometric distribution of obstacles on the vertical profile of the average longitudinal velocity is studied with 3D-LES model using Code_Saturne. The experimental results serve as a reference case for validation.Recommendations are made for how to model these flows for operational applications
Selon le Ministère de la Transition Écologique et Solidaire, les inondations sont le principal risque naturel en France. Du fait du dérèglement climatique, les inondations extrêmes deviendront plus fréquentes. Les personnes et les biens, i.e. habitations, installations industrielles, doivent donc être protégés contre ces crues pour lesquelles les données sont très rares voire inexistantes. Lorsque l’on passe d’une crue faible à une crue extrême, l’extension spatiale de l’inondation en lit majeur varie fortement. La nature des obstacles rencontrés varie : végétation basse, arbres, habitations... Ces obstacles ou macro-rugosités hydrauliques peuvent être émergés, ou faiblement immergés.Le but de ce travail de thèse est d’analyser les processus physiques dominants associés à des écoulements de crues extrêmes en présence d’obstacles émergés ou faiblement submergés. Cette thèse s’organise en deux parties : une partie expérimentale et une partie numérique.La partie expérimentale porte sur l’exploration, dans un canal de laboratoire, de la structure verticale du profil de vitesse et des effets géométriques liés à la configuration étudiée représentant une plaine d’inondation urbanisée avec des taux d’immersion de (symbole dollar) D/h = à 0,42 ; 0,93 ; 0,98(symbole dollar) et (symbole dollar)1,48(symbole dollar) ((symbole dollar) D(symbole dollar) étant la hauteur d’eau et (symbole dollar) h(symbole dollar) la hauteur de l’obstacle). Des mesures ADV et PIV des vitesses moyennes et des fluctuations turbulentes ont montré que les propriétés de l’écoulement changent notablement selon que les écoulements sont émergés ou faiblement submergés. Les interactions entre le détachement tourbillonnaire, la surface libre, les obstacles et la rugosité de fond sont étudiées.La partie numérique analyse différents types de modélisation classiquement utilisés pour simuler des événements de crue. Le cas expérimental de la première partie de thèse sert de référence.D'abord, un modèle analytique basé sur l’écriture du bilan de quantité de mouvement au niveau d’un volume hydraulique élémentaire permet de considérer différentes modélisations de la résistance globale à l’écoulement d'obstacles en régime uniforme. Un premier modèle simple intègre la résistance à l’écoulement du au frottement de fond et aux obstacles dans un même terme de type « frottement~». Un second modèle décompose en deux parties la résistance à l’écoulement~: un frottement de fond et une résistance due aux obstacles représentée par un terme de traînée. L’obstruction à l’écoulement sera alors représentée par un terme de porosité.L’analyse porte sur la pertinence d’utiliser les coefficients de frottement ou de traînée calibrés pour l’écoulement avec le plus faible débit pour simuler des écoulements à fort débit et en particulier la transition de l’émergence à la submergence des obstacles.Ensuite, les obstacles seront représentés explicitement dans le cadre d’un modèle « Saint-Venant » bidimensionnel. La convergence en maillage est étudiée et une analyse comparative des résultats expérimentaux et simulés est menée. De plus,L’influence de la répartition géométrique des obstacles sur le profil vertical de la vitesse moyenne longitudinale est étudiée avec une modélisation 3D-LES utilisant Code_Saturne. Les résultats expérimentaux serviront de cas de référence pour la validation.Au terme de cette seconde partie de thèse, des recommandations seront émises pour modéliser de façon pertinente ces écoulements au regard d’objectifs opérationnels
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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