Development of a Three-Dimensional Numerical Model for Sediment Transport and Morphological Evolution : Application to the Study of Scouring around Hydraulic Structures
Développement d'un modèle numérique tridimensionnel de transport sédimentaire et d'évolution morphologique : Application à l'étude de l'affouillement autour de structures hydrauliques
Résumé
Scouring, i.e. localized erosion around a structure obstructing flow, is a subject of paramount importance for the safety of hydraulic structures, particularly bridges, as it is the main cause of failure. Although it has been the subject of numerous studies in the past, it remains poorly understood and difficult to predict accurately. As part of the OXALIA industrial chair, supported by the Grenoble INP foundation thanks to sponsorship from the Artelia engineering group, this doctoral thesis aims to develop a numerical model to simulate the scouring process. Ultimately, this tool should help in the design of hydraulic structures that are more resilient to extreme events.The main contribution of this work is the development of an open-source numerical model called sedExnerFoam, implemented in the open-source C++ multi-physics simulation toolkit OpenFOAM. This model combines high-resolution hydrodynamics, a transport equation for suspended sediments concentration, and a morphological evolution module based on the Exner equation. The sediment bed constitutes one of the boundaries of the computational domain, whose geometry varies over time. The evolution of the bed in turn affects the hydrodynamics through mesh deformation. The development of the numerical model was validated against numerous benchmarks to ensure the proper functioning of its various components and their coupling. A crucial point for the sediment transport part is the conservative nature of the model with regard to sediment mass.Subsequently, more complex problems were addressed, such as the migration of an isolated dune subjected to unidirectional flow or scouring around a cylindrical obstacle. The numerical study of the different dune migration regimes identified three important parameters for predicting the morphological evolution of bedforms with this model: the rough boundary condition on the bed, the position of the boundary layer detachment, and the inertia of the grains transported as bedload. The use of the saturated bedload flux, which neglects particle inertia, shows unrealistic behavior in the presence of flow detachment upstream of the dune’s crest which causes sediment accumulation near the dune's crest, a streepening of the slope, and then avalanches that compensate for the bedload transport. To correct these effects, the concept of bedload flux saturation, borrowed from aeolian sand transport, was implemented. Saturation causes the bedload flux to react more gradually to variations in bed shear stress, enabling sediments to reach the downstream face of the dune before being picked up by avalanches. In the configuration of a three-dimensional crescentic dune (barchan), the effect of saturation appear less critical. However, the formation and growth of the barchan’s horns without saturation leads to excessive lateral dispersion.In the last chapter, preliminary results of the application of the model to the simulation of the scouring process are presented. Although these results are very encouraging, the implementation of this method on complex obstacle geometries is nevertheless made difficult by constraints related to the quality of the mesh required for its proper functioning. Several areas for improvement have been identified to enable the use of sedExnerFoam in engineering applications. The priorities concern the quality of the mesh, as its deformation can sometimes cause simulations to fail. A 3D formulation of bedload saturation has been proposed, but it still needs to be validated. The diffusivity near the bed, introduced to model the erosion flux, remains empirical for the time being, and a formulation inspired from two-phase modeling approach has yet to be developed. Other improvements are also discussed, which could serve as a basis for future developments of this open-source model.
L’affouillement, c’est-à-dire l’érosion localisée autour d’une structure faisant obstacle à un écoulement, est un sujet d’une importance capitale pour la sécurité des ouvrages hydrauliques, notamment des ponts, car il en est la principale cause de défaillance. Bien qu’il ait fait l’objet de nombreuses études par le passé, il reste mal compris et difficile à prévoir avec précision. Dans le cadre de la chaire industrielle OXALIA, portée par la fondation Grenoble INP grâce au mécénat du groupe d’ingénierie Artelia, cette thèse de doctorat vise à développer un modèle numérique permettant de simuler le processus d’affouillement. À terme, cet outil doit permettre d'aider à la conception d'ouvrages plus résilients face aux événements extrêmes.La contribution principale de ce travail est le développement d'un modèle numérique open source nommé sedExnerFoam implémenté dans la boîte à outils de simulation multi-physique open source C++ OpenFOAM. Ce modèle associe une résolution fine de l’hydrodynamique, une équation de transport pour la concentration de sédiments en suspension et un module d'évolution morphologique basé sur l'équation d'Exner. Le fond sédimentaire constitue une frontière mobile pour le domaine de calcul. Son évolution affecte en retour l’hydrodynamique par la déformation du maillage. Le développement du modèle numérique a été jalonné par de nombreux tests de validation afin de garantir le bon fonctionnement de ses différentes composantes ainsi que de leur couplage.Par la suite, des problèmes plus complexes ont été abordés, comme la migration d’une dune isolée soumise à un écoulement unidirectionnel ou l’affouillement autour d’un obstacle. L’étude des différents régimes de migration de dune a permis d’identifier trois paramètres clés pour prédire l’évolution morphologique des formes de fond: la condition limite de rugosité sur le lit sédimentaire, la position du décrochement de la couche limite et l’inertie des grains transportés par charriage. L’utilisation du flux de charriage saturé, qui néglige l’inertie des particules, créé des comportements non réalistes en cas de détachement de l’écoulement en amont de la crête, provoquant une accumulation de sédiments, un redressement de la pente, puis des avalanches qui compensent le flux de charriage. Pour corriger ces effets, un modèle de saturation a été implémenté et permet au flux de charriage de ne plus réagir instantanément aux variations de contrainte. Les sédiments sont alors transportés jusqu'à la face aval avant d'être repris par les avalanches. Dans le cas de la migration d'une dune tridimensionnelle en forme de croissant, il a été montré que l'effet de la saturation est moins critique, car les sédiments peuvent également être transportés dans les directions latérales. Cependant, la formation et la croissance des cornes de la barkhane sans prendre en compte la saturation conduisent à une dispersion latérale excessive.Dans le dernier chapitre, des résultats préliminaires de l’application du modèle à la simulation du processus d’affouillement sont présentés. Bien que ces résultats soient très encourageants, la mise en œuvre de cette méthode sur des géométries d’obstacles complexes est toutefois rendue difficile par les contraintes liées à la qualité du maillage nécessaire à son bon fonctionnement. Plusieurs pistes d’amélioration ont été identifiées pour permettre l’utilisation de sedExnerFoam dans le cadre d’applications d’ingénierie. Les priorités concernent la qualité du maillage, dont la déformation provoque parfois l’échec des simulations. Une formulation 3D de la saturation du flux de charriage a été proposée, mais doit encore être validée. La diffusivité proche du lit, introduite pour modéliser le flux d’érosion, reste pour l'instant empirique et une approche fondée sur la modélisation diphasique reste à développer. D’autres améliorations sont également évoquées, qui pourront servir de base aux futurs développements de ce modèle open source.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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