Modélisation 1D par lit (ISM) d’un réseau hydraulique ramifié maillé : application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d’ouvrages - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2021

D Compound Channel Modelling in a branched meshed hydraulic network : application to the operational context of flood forcasting and discharge dimensioning

Modélisation 1D par lit (ISM) d’un réseau hydraulique ramifié maillé : application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d’ouvrages

Abstract

The objective of this thesis is to make operational an improved unidimensional modelisation method (1D+) for overflowing rivers, named Independent Sub-section Method (ISM) [Proust et al., 2009]. Whereas the classical 1D models solve the Saint-Venant or Bernoulli equation in the total cross-section, ISM solves the momentum equation in each subsection. Besides, ISM models explicitly the mass transfer between subsections, as well as the lateral momentum transfer. Before this thesis, this model has been validated with experimental data collected from different laboratories in steady uniform and non-uniform flows [Proust et al., 2009, 2010; Bousmar et al., 2016 ; Proust et al., 2016].Firstly, ISM's performance has been assessed in unsteady flow. To this end, an unsteady experiment has been conducted. Data treatment methodology has been detailed. This experience has been simulated with ISM and with a 1D classical model in order to compare 1D+ and 1D approaches. We concluded that ISM reproduced better water depths than the 1D because (i) ISM accounts for the discharge distribution between subsections in the upstream boundary condition, (ii) ISM models explicitly the lateral discharge along the channel, (iii) the momentum transfer due to coherent structures and (iv) the momentum transfer due to lateral discharge exchange. Besides, at the interface MC/FP, the lateral velocity and the lateral discharge are well reproduced by the 1D+ simulations. Secondly, two methodological questions were treated, in order to apply ISM in operational conditions. The first question concerns the upstream boundary condition : how to construct the ISM upstream boundary condition (one discharge per subsection) from the available data (one unique discharge in the total cross-section). We proposed to compute the total discharge distribution in a steady uniform flow using ISM equations. This distribution of the total discharge at the upstream boundary condition is compared to the distributions computed using existing method. The second question concerns confluence modelisation, since ISM didn't model confluences before this thesis. We needed to find a solution to distribute the discharges in each subsection of the inflowing branches in a confluence over the 3 subsections of the outflowing branch. We proposed an approach that consists of conserving the discharges of the exterior FPs of the inflowing branches in the FPs of the outflowing branch, and summing the rest of subsection discharges of the inflowing branches in the MC of the outflowing branch. Then, a real river has been chosen to apply ISM in an operational conditions. Two situations has been studied : a simple model with one branch and a model with a confluence. Simulations has been realized with the 1D+ model ISM as well as with the 1D DCM method FudaaCrue and the 1D method DEBORD [Nicollet and Uan, 1979]. In the current ISM implementation, simulations showed the necessity to have an overflow over all the river FPs to be able to simulate. For the moment, we suggested to force the overflow, waiting for a more satisfactory solution. In this river case, after calibrating the turbulent exchange coefficient [Bousmar and Zech, 1999], ISM reproduces better the water levels than other 1D models with a maximal absolute errors lower than those obtained with the models Debord and FudaaCrue. In confluence simulation, the maximum absolute errors of Mage ISM were more important but still in the order of magnitures generally accepted. A suggestion has been done in order to enhance the ISM simulation. Furthermore, ISM enables to find more informations, unreachable to the classical 1D models as the filling and evacuation of FPs. Besides, ISM enables to analyze the discharge distribution between subsections, as well as the lateral discharge exchange and the shear stress between subsections.
L'objectif de cette thèse est de rendre opérationnelle une méthode de modélisation unidimensionnelle améliorée (1D+) des rivières débordantes, appelée Independent Sub-section Method (ISM) [Proust et al., 2009]. Alors que les modèles 1D classiques résolvent l’équation de Saint-Venant ou de Bernoulli sur la section totale de l'écoulement débordant (ou en lit composé), l’ISM résout une équation de quantité de mouvement dans chaque sous-section. De plus, l’ISM modélise explicitement le transfert latéral de masse entre sous-sections, ainsi que le transfert latéral de quantité de mouvement. Avant la thèse, ce modèle a été validé à partir de données expérimentales collectées dans différents laboratoires, en régime permanent uniforme et non-uniforme [Proust et al., 2009, 2010; Bousmar et al., 2016; Proustet al., 2016]. Dans un premier temps, l'ISM a été validée en régime transitoire. Ainsi, une expérience en régime transitoire a été conçue pour acquérir des données de validation spécifiques. Cette expérience a été ensuite modélisée avec l'ISM et avec un modèle 1D classique pour comparer les approches 1D+ et 1D. Il a été conclu que l'ISM reproduit mieux les hauteurs d’eau que le 1D, en raison : (i) de la prise en compte de la répartition des débits par sous-section aux conditions limites amont, (ii) de la modélisation explicite tout au long du canal du débit latéral entre lits, (iii) de l’échange de quantité de mouvement par les structures turbulentes quasi-2D, et (iv) de l’échange de quantité de mouvement par le débit latéral entre lits (lorsque les vitesses en lit mineur et lit majeur diffèrent). De plus, à l'interface entre sous-sections, la vitesse latérale et le débit latéral sont également bien reproduits par le 1D+.Dans un second temps, deux questions méthodologiques permettant d'appliquer l'ISM en conditions opérationnelles sont traitées. La première question cherche à reconstruire des conditions aux limites amont pour l'ISM (1 débit par sous-section) à partir des données disponibles (1 débit unique sur la section totale). On a alors proposé de répartir le débit total amont selon la répartition du régime uniforme calculé avec l'ISM. Cette répartition du débit total amont est comparée à celles données par différentes méthodes existantes. La deuxième question concerne la modélisation des confluences jusqu’ici inaccessible à l’ISM. Le travail réalisé a consisté à trouver une solution pour répartir les débits par lits de chaque branche entrante sur les trois lits de la branche sortante de la confluence. On a alors proposé une approche qui consiste à conserver les débits des lits majeurs extérieurs des biefs entrants dans les lits majeurs du bief sortant, puis de sommer le reste des débits des biefs entrants dans le lit mineur du bief sortant. Ensuite, un cas de terrain a été choisi pour appliquer l'ISM en conditions opérationnelles. Deux situations ont été étudiées : un modèle de tronçon simple et un modèle avec confluence. La modélisation de ces cas est réalisée avec le code Mage-8 ISM (1D+), ainsi qu'avec le code 1D CRUE10 et le code Mage-8 Debord [Nicollet and Uan, 1979]. Dans l’état actuel de l’implémentation de l’ISM, les simulations ont permis de mettre en évidence la nécessité d’avoir un débordement sur tous les lits majeurs du bief de rivière étudié en raison de problèmes de fronts secs. Une proposition est faite pour forcer le débordement tout au long du bief, ce qui a permis de faire tourner le calcul, dans l’attente d’un traitement plus satisfaisant de ce problème. Sur ce cas test, l’ISM reproduit mieux les cotes mesurées que les autres modèles avec des biais absolus maximaux plus faibles que ceux obtenus avec les modèles 1D DCM et Debord. Dans la simulation avec confluence, les biais maximaux de Mage ISM sont plus importants mais restent dans des ordres de grandeurs généralement acceptés dans la communauté.
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tel-03637028 , version 1 (11-04-2022)

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  • HAL Id : tel-03637028 , version 1

Cite

Yassine Kaddi. Modélisation 1D par lit (ISM) d’un réseau hydraulique ramifié maillé : application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d’ouvrages. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Lyon, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LYSE1200⟩. ⟨tel-03637028⟩
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