Couplage VOF-LPT pour l'étude de l'érosion : application à l'affouillement autour des piles d'ouvrages maritimes

VOF-LPT coupling for studying erosion : an application for scour around maritime piles

• Auteur / Autrice : Thi-Le-Quyen Nguyen
• Direction : Patrice Coorevits, Viet-Dung Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Génie Civil
• Date : Soutenance le 15/09/2021
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Eco-procédés, optimisation et aide à la décision (Amiens)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Rémond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khashayar Saleh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudia Cogné, Quy Dong To

Mots clés

Mots clés contrôlés

Affouillement (génie hydraulique)

Détérioration

Travaux maritimes

Mots clés libres

Érosion

Piles d'ouvrage maritimes

Expérience

Simulation

Canal hydraulique

Scour

Experiment

Open channel

Résumé

Les ouvrages situés dans un milieu fluvial et maritime subissent, durant leur vie, des sollicitations variables hydromécaniques, physicochimiques et climatiques qui contribuent à leur éventuelle détérioration. C'est le cas par exemple des piles de ponts, des fondations d'éoliennes en mer (offshore, par exemple les mono-pieux) et d'autres ouvrages portuaires. Parmi les phénomènes qui en résultent, l'affouillement local a été identifié comme l'un des principaux facteurs. Aux Etats-Unis, au cours des 30 dernières années, un millier de ponts se sont effondrés à cause de défaillances liées à l'érosion. Cependant, les facteurs engendrant ce phénomène restent un problème à régler de façon radicale. Afin de mettre en lumière numériquement les processus d'érosion précédemment cités, un couplage LPT-VOF (Lagrangian Particle Tracking-Volume Of Fluid) a été étudié et intégré dans le code de calculs OpenFOAM@. Le mouvement des particules dans le LPT est gouverné par les trois lois de Newton alors que le mouvement du fluide est localement basé sur l'équation de Navier-Stokes. La possibilité de réalisation d'une collision entre deux particules est alors estimée directement en fonction de leurs positions et de leur vitesse relative pendant un pas de calcul. L'interaction solide-fluide est prise en compte par la force de trainée et les forces de pression s'exerçant sur les particules. Pour valider le couplage entre deux phases fluide-air, les résultats numériques de la rupture de barrage dans un canal hydraulique ont été comparés aux mesures expérimentales de profils de surfaces libres et de vitesses d’écoulement. Ensuite, l'hydrodynamique de l'écoulement autour d'un cylindre vertical à l'échelle semi-industrielle a été étudiée. En présence de phase solide, la variation de la vitesse de sédimentation et de la hauteur d'une particule en fonction du temps est comparée aux résultats expérimentaux issus de la littérature pour différentes viscosités de fluide. Durant la campagne expérimentale, plusieurs essais ont été faits concernant l'érosion d'un lit granulaire placé en aval d'une rupture de barrage. Grâce aux trois diamètres des particules, l'accent est mis sur l'influence de la porosité du lit granulaire sur la profondeur d'érosion. Les comparaisons expérimentales-numériques se montrent très concluantes. Enfin, dans le but d'aboutir à une simulation à taille réelle, une modélisation multi-échelles de l'affouillement autour d'un cylindre vertical a été menée. Les confrontations entre les résultats numériques avec les données expérimentales issues de la littérature nous ont permis d'identifier des zones à risque, d'interpréter le rôle de la porosité, de la cohésion, et des régimes d'écoulement

Structures located in a fluvial and maritime environment undergo variable hydromechanical, physicochemical, and climatic stresses that possibly contribute to their possible deterioration. Bridge piers and offshore wind turbine foundations (monopile and suction monopod foundations) are examples of such structures. Among the resulting phenomena, local scour has been identified as one of the main phenomena resulting from the aforementioned conditions. In the United States, over the past 30 years, a thousand bridges have collapsed due to erosion-related failures. However, the factors causing this phenomenon remain a problem to be radically addressed. To numerically highlight the erosion processes mentioned above, a VOF-LTP (Volume Of Fluid - Lagrangian Particle Tracking) coupling was studied and integrated into the OpenFOAM code. The movement of particles in the LPT is governed by Newton's three laws while the movement of the fluid is locally based on the Navier-Stokes equation. The possibility of a collision between two particles is then estimated directly as a function of their positions and their relative velocity during a computational time step. The solid-fluid interaction is taken into account by the drag force and the pressure forces acting on the particles. The numerical results of dam break flows in a hydraulic channel were compared with experimental measurements of free surface profiles and flow velocities to validate the coupling between two fluid-air phases. Then, the hydrodynamics of the flow around a vertical cylinder on a semi-industrial scale was studied. In the presence of a solid phase, the trajectory and sedimentation velocity of a sphere as a function of time is compared with the experimental results obtained from the literature for different fluid viscosities. During the experimental campaign, several tests were carried out concerning the erosion of a granular bed downstream of a dam break. Three particle sizes were used to focus on the influence of the porosity of the granular bed on the depth of erosion. The numerical results have shown a good adequation with experimental results. Finally, to achieve a full-size simulation, multi-scale modelling of the scour around a vertical cylinder was carried out. The comparisons between the numerical results with the experimental data from the literature have enabled us to identify risk areas, to interpret the role of porosity, cohesion, and flow regimes