Contribution to two-phase flow modeling for sediment transport in estuarine and coastal zones.
Contribution à la modélisation diphasique du transport sédimentaire en milieux côtiers et estuariens
Résumé
This thesis represents a contribution to physical and numerical modelling for sediment transport in estuarine and coastal zones. The developed two-phase flow approach differs from the classical one by resolving the mass and momentum equations and the transport equation for turbulent kinetic energy, separately for each phase. Transfer terms of momentum and turbulent kinetic energy between phase takes into account fluid-particle interactions. The work presented in this thesis mainly involves turbulence modelling in particulate two-phase flows.
Concerning the results, we show that the developed approach can reproduce quantitatively the mains processes involved in sediment transport of non-cohesive particles: sedimentation and dispersion effects of particles by the turbulent fluid motion in dilute suspension. Especially, the proposed model confirms the existence of a horizontal velocity lag between the fluid and the particles. It simulates the turbulent dispersion effect of particles and the damping of fluid turbulence due to the particle's presence. Another originality of this work is to present a turbulent two-phase free-surface flow model, 2D vertical, for sediment transport simulation. Moreover, we identify the gaps between theories and experiments on dense, turbulent two-phase flow. We propose solutions for the simulation of cohesive material behaviour. An attempt to numerical simulation of turbidity maximums in the Seine estuary is presented. The model has qualitatively reproduced the turbidity maximum without imposing any erosion or deposition laws.
Concerning the results, we show that the developed approach can reproduce quantitatively the mains processes involved in sediment transport of non-cohesive particles: sedimentation and dispersion effects of particles by the turbulent fluid motion in dilute suspension. Especially, the proposed model confirms the existence of a horizontal velocity lag between the fluid and the particles. It simulates the turbulent dispersion effect of particles and the damping of fluid turbulence due to the particle's presence. Another originality of this work is to present a turbulent two-phase free-surface flow model, 2D vertical, for sediment transport simulation. Moreover, we identify the gaps between theories and experiments on dense, turbulent two-phase flow. We propose solutions for the simulation of cohesive material behaviour. An attempt to numerical simulation of turbidity maximums in the Seine estuary is presented. The model has qualitatively reproduced the turbidity maximum without imposing any erosion or deposition laws.
Cette thèse constitue une contribution à la modélisation numérique diphasique du transport sédimentaire en milieux côtiers et estuariens. L'approche diphasique diffère de l'approche dite classique en résolvant des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de transport pour l'énergie cinétique turbulente séparément pour chaque phase. Les interactions entre le fluide et les particules sont alors représentées par des termes de transfert entre les deux phases. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la modélisation de la turbulence dans les écoulements diphasiques fluide particule.
En terme de résultats, nous montrons que l'approche développée est capable de reproduire quantitativement les principaux processus mis en jeu dans le transport sédimentaire de particules non cohésives : la sédimentation et la dispersion turbulente des particules en milieu dilué. Le modèle développé confirme l'existence d'une différence de vitesse horizontale entre les particules et l'eau. Il simule les effets de dispersion des particules par le mouvement turbulent du fluide et l'atténuation de l'énergie cinétique turbulente du fluide due à la présence des particules. Une autre originalité de ce travail est de proposer un modèle diphasique à surface libre, bidimensionnel vertical, pour la simulation du transport sédimentaire. Nous avons identifié des lacunes entre les théories et les expériences notamment pour la simulation de la turbulence en écoulement dense. Nous proposons des solutions pour améliorer la simulation du comportement de matériaux cohésifs. Une tentative de simulation hydrosédimentaire sur l'estuaire de la Seine est présentée. Le phénomène de bouchon vaseux est qualitativement reproduit par le modèle sans qu'aucune loi d'érosion ou de dépôt ne soit imposée.
En terme de résultats, nous montrons que l'approche développée est capable de reproduire quantitativement les principaux processus mis en jeu dans le transport sédimentaire de particules non cohésives : la sédimentation et la dispersion turbulente des particules en milieu dilué. Le modèle développé confirme l'existence d'une différence de vitesse horizontale entre les particules et l'eau. Il simule les effets de dispersion des particules par le mouvement turbulent du fluide et l'atténuation de l'énergie cinétique turbulente du fluide due à la présence des particules. Une autre originalité de ce travail est de proposer un modèle diphasique à surface libre, bidimensionnel vertical, pour la simulation du transport sédimentaire. Nous avons identifié des lacunes entre les théories et les expériences notamment pour la simulation de la turbulence en écoulement dense. Nous proposons des solutions pour améliorer la simulation du comportement de matériaux cohésifs. Une tentative de simulation hydrosédimentaire sur l'estuaire de la Seine est présentée. Le phénomène de bouchon vaseux est qualitativement reproduit par le modèle sans qu'aucune loi d'érosion ou de dépôt ne soit imposée.
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