Modélisation des ondes de pression transitoires dans les réseaux de distribution d'eau

Modelling of transient pressure waves in water distribution networks

• Auteur / Autrice : Alexandre Bayle
• Direction : Franck Plouraboué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thual
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Plouraboué, Olivier Thual, Silvia Meniconi, Arris Tijsseling, Bruno Brunone, Carole Delenne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvia Meniconi, Arris Tijsseling

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse temporelle

Thèses et écrits académiques

Risque

Approvisionnement en eau

Mots clés libres

Réseau de distribution d’eau

Solutions dépendantes du temps

Interactions fluide structure

Conduites élastiques remplies de fluide

Rhéologie viscoélastique

Méthode des caractéristiques

Localisation d’anomalies

Méthode de rétropropagation

Water Distribution Networks

Time-dependent solutions

Fluid and Structures Interactions

Liquid-filled-elastic pipes

Visco-elastic rheology

Method of Characteristic

Anomaly localization

Backtracking methods

Résumé

Dans les zones urbaines, la disponibilité de l’eau potable repose souvent sur des systèmes de distribution complexes, dont la dynamique est encore mal comprise. La supervision des réseaux, qui s’inscrit dans le prolongement des projets de "smart city", offre de nouvelles possibilités de gestion des réseaux de distribution d’eau (RDE). Certaines technologies, comme le (SCADA), permettent déjà un contrôle et une régulation des réseaux en quasi temps réel, tandis que des techniques efficaces de gestion de la pression sont développées quotidiennement pour moderniser les installations. Ces techniques, bien qu’elles soient économiquement et opérationnellement viables, ne fournissent pas une description complète de la dynamique rapide des réseaux. Les régimes transitoires rapides, aussi incompris que dangereux, sont restés durant des décennies en marge de considérations opérationnelles. Cependant, avec la rareté des ressources et le besoin d’une gestion efficace de nos actifs vieillissants, la caractérisation des phénomènes transitoires rapides redevient un sujet d’importance. Le coup de bélier, ou la propagation d’ondes de pression émanant d’une variation de débit, peut ainsi être étudié du point de vue de la gestion patrimoniale, c.-à-d. la résilience du réseau face aux surpressions répétées, et/ou du point de vue opérationnel, c.-à-d. l’analyse de la rétropropagation des fronts d’ondes pour trouver leur générateur. Cette thèse se concentre sur le développement de modèles théoriques et numériques pour l’étude du comportement transitoire des réseaux d’eau potable par : (i) l’analyse temporelle des ondes de coup de bélier via la théorie des opérateurs, (ii) une analyse asymptotique détaillée des Interactions Fluide Structure (IFS) se produisant dans les conduites élastiques, (iii) l’extension du cadre IFS élastique aux conduites viscoélastiques, (iv) une étude numérique complète des modèles d’amortissement visqueux actuellement utilisés dans les logiciels commerciaux ou open-source par la méthode des caractéristiques, et (v) la constitution d’une nouvelle méthode de rétropropagation du premier front d’onde pour la localisation d’anomalies sur réseau. Chacun de ces points est développé dans cette étude et a conduit à plusieurs articles scientifiques également inclus dans le document. La nouveauté et la pertinence de la méthode de détection par rétropropagation des fronts d’ondes doit être soulignée pour sa conceptuelle simplicité, son efficacité numérique et sa fiabilité à géolocaliser des anomalies dans le réseau d’eau potable de Toulouse.

In urban areas, the availability of drinking water often relies on complex distribution systems, the dynamics of which is still misunderstood. Networks monitoring as part of an extension of smart city projects, nevertheless offers new management possibilities to Water Distribution Networks (WDN) shareholders. Some technologies such as the (SCADA) offers a quasi-real-time control and regulation of the network, whilst efficient pressure management techniques are daily developed to modernize water facilities. Such techniques, although being economically and operationally effective, do not provide a full description of WDN fast dynamics. The WDN transient life, as misunderstood as dangerous, has remained for decades on the fringes of the operational considerations. In the context of resource scarcity and the requirement for efficient management of aging networks and assets, the transient description of hydraulic networks is moving back into focus. The water hammer phenomena, or the propagation of pressure waves due to flow-rate perturbations, can be investigated from the asset management view- point, i.e., the network resilience to repeated overpressure solicitations, or from a more operational one, i.e., the backtracking of the overpressure wave fronts to determine the possible hydraulic disfunctions. This PhD focuses on the development of theoretical models and numerical tools for WDN transient’s analysis from: (i) time-domain operator-based water-hammer waves analysis, (ii) in-depth asymptotic analysis of Fluid-Structure Interactions (FSI) occurring in elastic liquid-filled pipes, (iii) extending current FSI-elastic-based models for visco-elastic pipes, (iv) a complete numerical study of the viscous damping model currently used in commercial or open-source software by using the Method Of Characteristic (MOC), and (v) establishing a new anomaly detection procedure in WDN from backtracking the first overpressure wave fronts. Each item is fully developed leading to several scientific papers also included in the document. The novelty and effectiveness of the herein backtracking detection method should be pointed out for its conceptual simplicity, numerical cost effectiveness and reliability to locate realistic anomalies in Toulouse’s WDN.