Modélisation numérique Euler-Lagrange du transport sédimentaire en suspension

Euler-Lagrange numerical modeling of suspended sediment transport

• Auteur / Autrice : Dandan Yu
• Direction : Philippe Claudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/04/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Lagrée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Jodeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Chauchat, Pascale Aussillous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Lagrange, Équations de

Sédiments (géologie) -- Transport

Sédiments en suspension

Mots clés libres

Transport en suspension

Modèle Euler-Lagrange

Couplage fluide-grains

Fluctuations turbulentes

Suspension load

Euler-Lagrange model

Turbulent fluctuations

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement du transport en suspension et développer un code numérique pour décrire les interactions fluide-grains dans l'écoulement turbulent. Nous avons utilisé le code PeliGIRFF développé par IFPEN dans une configuration du type Euler-Lagrange, où le fluide est décrit par les équations de Navier-Stokes et le mouvement des grains est calculé pour chaque particule. Un modèle de fluctuations turbulentes a été implémenté dans le calcul de la force de trainée sur les grains. Ces perturbations ajoutées à la vitesse fluide dans la force de trainée sont définies par une amplitude et une durée, choisies au sein de distributions aléatoires. Nous observons que la mise en suspension des particules est surtout sensible à l'amplitude de ces fluctuations, davantage qu'à leur durée. La loi de transport sédimentaire, qui relie le débit solide au nombre de Shields, suit la même loi de puissance 3/2 pour la suspension que pour le charriage, mais avec un préfacteur plus élevé dans le cas de la suspension, associé à des vitesses des particules plus grandes. Le profil de concentration généré par notre modèle est comparé au profil classique de Rouse, avec une partie près du lit bien ajustée et une partie dans la zone supérieure de l'écoulement où la concentration est sous-estimée.

The aim of this thesis is to study the origin of the suspension load in turbulent flow and to develop a numerical model to describe the interactions between the fluid and the particles. We used an Euler-Lagrange type model developed by IFPEN, in which the fluid is described by the Navier-Stokes equations and the grain dynamics are modeled individually at the particle scale. We proposed a turbulent fluctuation model in the calculation of the drag force on grains. This fluctuation model gives stochastic properties to the amplitude and the duration of turbulent fluctuations. It is shown that the suspension is more sensitive to the amplitude of fluctuations than the duration. The sediment transport law, which relates the saturated flux to the Shields number, follows the same 3/2 power law for the suspension load as for the bedload, but with a higher prefactor associated with higher particle velocities in the case of the suspension. The concentration profile generated by our model is compared to the classic Rouse profile, with a part near the bed well-adjusted and a part in the upper area of the flow where the concentration is underestimated.