Simulation numérique 3D d'érosion par affouillement près d'un obstacle

3D Numerical Simulation of Scour Erosion Around An Obstacle

• Auteur / Autrice : Wei Zhang
• Direction : Damien Pham Van Bang, Kim Dan Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 13/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines) - Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Gondret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Pham Van Bang, Kim Dan Nguyen, Olivier Thual, Sylvain Guillou, Christophe Chevalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Thual, Sylvain Guillou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Érosion

Simulation des grandes échelles

Affouillement (géomorphologie)

Turbulence

Mots clés libres

Simulation des grandes échelles (SGE)

Écoulement turbulent

Écoulement à surface libre

Affouillement local

Large Eddy Simulation (LES)

Turbulent flow

Free surface flow

Local scour

Résumé

Les fondations des éoliennes en mer et des piliers de pont ont un impact sur le flux environnant et le transport des sédiments autour des obstacles, ce qui entraînera une instabilité structurelle. Pour mieux comprendre ce phénomène, ce travail présente un code nouvellement développé (NSMP3D) utilisant la méthode des volumes finis non structurés (UFVM) pour simuler l'écoulement et le processus d'affouillement autour d'un cylindre circulaire. Un système de coordonnées sigma est utilisé afin d'obtenir une représentation précise de l'évolution de la surface libre ou de l'interface entre le fluide et le sédiment. Pour éviter le problème de damier causé par une grille co-localisée, un schéma d'interpolation de moment est utilisé en introduisant des vitesses normales au niveau des points centraux des faces des cellules. Requis par Simulation des grandes échelles (SGE), un schéma central combiné à un schéma semi-implicite Adams-Bashforth est proposé dans ce modèle pour obtenir une précision de second ordre dans le temps et dans l’espace. La méthode de projection avec correction de pression est utilisée pour découpler les champs de vitesse et de pression. Premièrement, ce travail valide l'exactitude du second ordre, la stabilité numérique, l'efficacité et la capacité de calcul du modèle numérique à l'aide de plusieurs cas de test de référence. Le modèle proposé a été utilisé pour simuler des écoulements 3D à canaux ouverts turbulents, des écoulements 2D et 3D à cavités de couvercles, des ondes stationnaires dans un bassin fermé et des écoulements 3D turbulents autour d'un cylindre vertical. Le modèle proposé est capable de reproduire correctement les caractéristiques de flux caractéristiques dans tous les cas de test. Deuxièmement, une simulation du débit du chenal entraîné par les sédiments en suspension est réalisée pour étudier l'interaction des sédiments et de la turbulence. Avec l'augmentation de la vitesse de sédimentation, la turbulence de l'écoulement est moins en mesure de maintenir les sédiments en suspension et l'écoulement dans le canal tend vers la solution laminaire. Enfin, de grandes simulations d'écoulement tourbillonnaire autour d'un cylindre vertical sont respectivement effectuées pour les caisses à lit libre, à lit rigide et à lit vivant. L'érosion du lit est simulée en résolvant l'équation de la continuité des sédiments en utilisant un algorithme de glissement de sable conservateur de la masse et un taux de transport de charge du lit basé sur une description des processus physiques (Engelund & Fredsøe, 1976). Le profil de vitesse moyen et la contrainte de cisaillement valident la précision de ce modèle. La structure de délestage de vortex en fer à cheval et de vortex lee-wake sont simulées et comparées à la référence. La formation et le développement temporel du trou de lavage et des autres caractéristiques du lit topographique sont reproduits avec succès

The foundations of offshore wind turbines and bridge piers have an impact on the surrounding flow and the sediment transport around the obstacles, which will then cause structural instability. To better understand this phenomenon, this work presents a newly developed code (NSMP3D) using unstructured finite volume method (UFVM) to simulate the flow and the scour process around a circular cylinder. A sigma-coordinate system is employed in order to obtain an accurate representation of the evolution of free surface or the interface between fluid and sediment. To avoid the checkerboard problem caused by the collocated grid, a momentum interpolation scheme is used by introducing face-normal velocities at the mid-points of cell faces. Required by Large Eddy Simulation (LES), a central scheme combined with semi-implicit Adams-Bashforth scheme are proposed in this model to get second-order accuracy in time and in space. Pressure-correction projection method is employed to decouple the velocity and pressure fields. First, this work validates second-order accuracy, numerical stability and computational efficiency and capacity of the numerical model using several benchmark test-cases. The proposed model has been used for simulating 3D turbulent open-channel flows, 2D and 3D lid-cavity flows, a standing wave in a closed basin, and 3D turbulent flows around a vertical cylinder. The proposed model is able to correctly reproduce the characteristic flow features in all test-cases. Second, the simulation of channel flow driven by suspended sediment is conducted to study the interaction of sediments and turbulence. With increasing the settling velocity, flow turbulence is less able to keep the sediments in suspension, and the flow in the channel tends towards the laminar solution. Finally, large eddy simulations of the flow around a vertical cylinder for free-slip bed, rigid bed and live-bed cases are carried out, respectively. Bed erosion is simulated by solving the sediment continuity equation using a mass-conservative sand-slide algorithm and a bedload transport rate, which is based on a description of physical processes (Engelund & Fredsøe, 1976). The mean velocity profile and shear stress validate the accuracy of this model. Horseshoe vortex and lee-wake vortex shedding structure are simulated and compared with the reference. The formation and the temporal development of the scour hole and other topographic bed features are successfully reproduced