Scour at the foot of seawalls

L'affouillement au pied des digues

• Auteur / Autrice : Anak Damarnegara
• Direction : Richard Perkins, Eric Vincens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 29/03/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Rivière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Richard Perkins, Eric Vincens, Ria Asih Aryani Soemitro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ming Li, Daniel Conley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Affouillement (génie hydraulique)

Digues

Mots clés libres

Digues

Vagues

Affouillement

Écoulement à surface libre

Transport de sédiments

Seawalls

Waves

Scour

Free-surface flow

Sediment transport

Résumé

L'affouillement au pied des digues est l'un des principaux facteurs de l’endommagement structurel des digues, impliqué dans 12% des cas documentés. Pour les applications pratiques, l'affouillement au pied des digues est souvent modélisé avec une approche empirique simple qui a ses limites. Bien que des observations sur le terrain et des travaux expérimentaux soient utiles, il existe des limites dans l'approche. La pertinence des expériences en laboratoire est limitée par des problèmes de similitude et les expériences en vraie grandeur coûtent cher, et ne permettent pas une maîtrise des conditions expérimentales. Les simulations numériques nous offrent une alternative intéressante mais posent aussi quelques défis. La première difficulté est la modélisation correcte de la dynamique de la surface libre, y compris le processus de déferlement de la vague. Le deuxième problème est la modélisation de l’érosion des sédiments du lit, et l’influence de l’évolution du profil du lit sur l’écoulement. Enfin, pour être utile, la méthode doit être robuste, ne nécessitant que des ressources de calcul raisonnables de calcul pour effectuer la simulation d’un domaine d’une taille pertinente.Cette thèse décrit le développement d’un modèle numérique intégré basé sur OpenFOAM – une plate-forme CFD open source – qui comprend la dynamique de surface libre, le transport des sédiments et le processus de déformation du lit. La dynamique de surface libre est modélisée à l'aide de la méthode Volume of Fluid (VOF) avec des zones de relaxation pour la génération et l’absorption de la houle. Le processus de transport des sédiments est modélisé avec un transport par charriage et un transport des sédiments en suspension et l’échange avec le lit est calculé avec la méthode des Surfaces Finies. La déformation du lit est calculée avec l'équation de continuité des sédiments, et le maillage est déformé pour tenir compte du changement de lit.Plusieurs essais d'étalonnage ont été effectués pour caractériser les capacités du modèle. Premièrement, l’influence de la résolution spatiale et des schémas numériques sur la propagation de la houle ont été étudiés. Puis, plusieurs méthodes pour éliminer la réflexion de la houle ont été implémentées et comparées. La dérive de Stokes dans un canal fermé a été calculée et comparée avec les résultats théoriques et expérimentaux. Il est montré que le modèle surestime la dérive de Stokes près de la surface, parce que la pression à la surface libre n’est pas calculée correctement, et ceci induit une vitesse négative trop importante à l’intérieure du fluide. Quatrièmement, le calcul de la contrainte de cisaillement du lit a été testé avec le cas d’une couche limite oscillatoire. Deux méthodes pour le calcul de la contrainte de cisaillement au lit ont été testées avec différentes résolutions spatiales. Enfin, tous ces éléments ont été testés ensemble, dans la simulation d’une rupture de barrage sur fond mobile, avec comparaison des résultats avec une expérience en laboratoire. Le transport solide est créé principalement par un écoulement de type ‘sheet flow’, et un nouveau modèle est proposé pour la prise en compte de ce phénomène, basé sur la modélisation des lits fluidisés. Cette approche est une adaptation du modèle standard pour le transport des sédiments en suspension, avec l’avantage de ne pas nécessiter un modèle propre au phénomène. Enfin, le modèle est utilisé pour simuler l’impact de la houle sur une digue, avec un lit horizontal et une plage inclinée, sans déformation du lit. Puis l’affouillement et la déformation du lit sont inclus pour les deux cas.

Scour at the foot of the seawalls (toe-scour) is one of the major causes of structural damage to sea-walls, involved in 12% of directly-observed damages. For engineering purposes, simple empirical approaches are often used to predict toe-scour but these are often limited. And whilst data from field observations and experimental studies are both very valuable, they both suffer from practical limitations. Experimental work for example is limited by similarity constraints and full scale experiments are expensive, without allowing detailed control of individual parameters. Numerical simulations therefore offer an interesting alternative but they are not without challenges. The first problem is the correct modelling of free surface dynamics including wave breaking processes. The second is modelling the scour development process and its feedback on the flow pattern. Finally, to be practically useful, the method should be robust and use reasonably affordable computational resources for full-scale simulation.This thesis describes the development of an integrated numerical model is based on OpenFOAM – an open source CFD platform – which includes free surface dynamics, sediment transport and bed deformation processes. The free surface dynamics are modeled using the Volume of Fluid (VOF) method with wave generation and absorption capabilities based on the use of a relaxation zone. The sediment transport process is calculated based on the bed load and suspended load approach and solved in the bed boundary using the Finite Area Method. The bed deformation is calculated using the sediment continuity equation, and the mesh is updated to take account the bed change.Several calibration tests have been performed to determine the model capabilities. Firstly, a sensitivity analysis was performed to characterize the influence of mesh size and numerical schemes on wave propagation. Secondly, several methods were compared for eliminating unwanted wave reflection. The model was then used to compute the wave-induced mass transport velocity in a closed flume, and the results compared with the theoretical solution and experimental data. It is shown that the failure to model correctly the pressure condition at the free surface leads to an overestimate of the drift close to the surface, which has to be compensated by an excessive negative drift in the body of the fluid. Fourth, the bed shear stress calculation is tested by studying the case of an oscillatory flow boundary layer. Two methods for computing the bed shear stress have been devised and tested with different mesh sizes. Finally, a simulation is carried out using all of these developments, to simulate the problem of erosion induced by the unsteady flow resulting from a dam-break, and the results are compared with an experimental test case. The sediment transport occurs mainly in the form of sheet flow, and a new method of simulating sheet flow has been devised, based on an analogy with dispersion in a fluidized bed. This approach has the advantage over previous models that it does not require any ad-hoc modification of existing sediment transport models. Finally, the complete model is applied to the case of waves impacting on a sea wall, first for horizontal bed case and second for the case of a sloped beach. The hydrodynamic properties of the flow are analyzed for both cases without using the bed deformation module. Then the scour model with movable bed is included in the simulation, for both cases.