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

par Thi-le-quyen Nguyen

Projet de thèse en Sciences pour l'Ingénieur Génie Civil-25DSI2

Sous la direction de Patrice Coorevits.

Thèses en préparation à Amiens , dans le cadre de Sciences, Technologie, Santé , en partenariat avec EPROAD - Unité de recherche Eco-Procédés, Optimisation et aide à la décision (laboratoire) depuis le 18-12-2017 .


  • 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. Au 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 VOF-LPT a été étudié et intégré dans le code OpenFOAM durant les deux premières années de thèse. Le mouvement des particules dans le DEM est gouverné par les trois lois de Newton alors que le mouvement du fluide est localement basé sur l'équation Navier-Stockes. La possibilité de réalisation d'une collision entre deux particules est alors estimée directement en fonction de leurs positions et de la 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, les résultats numériques de la sédimentation d'une particule sont comparés aux résultats expérimentaux issus de la littérature. Ensuite, l'hydrodynamique de l'écoulement autour d'un cylindre vertical à l'échelle semi-industrielle (dimensions du bassin: 6.5m x 4.3m x 0.6m) a été étudiée. Un travail expérimental similaire dans la littérature nous a permis de mener la confrontation numérique/expérimentale. De plus, l'étude expérimentale de l'écoulement des milieux visqueux et granulaires dans un canal hydraulique a eu pour but de mettre en évidence les capacités du couplage à prendre en compte de l'influence de la viscosité et de la porosité sur l'érosion. 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 l'adhésion, et des régimes d'écoulement.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    Construction structures located in a fluvial and maritime environment, whose foundations are directionally suffered from flows affected from the variability of hydromechanical and physicochemical conditions, as well as climate change, possibly contribute them to the deterioration. Among the resulting phenomena, local scour has been identified as one of the main factors. In the United States, over the last 30 years, 60% of over 1000 bridges failures are associated with scouring and erosion. However, the factors causing this phenomenon remains a problem to be solved radically. To numerically highlight the erosion processes previously mentioned, a VOF-LPT coupling (Volume of Fluid- Lagrangian Particle Tracking method) was studied and integrated into the OpenFOAM) code during the first two years of the thesis. The motion of the particles in the DEM is governed by Newton's three laws, while fluid motion is locally based on the Navier-Stokes equation. The possibility of making a collision between two particles is then estimated directly as a function of their positions and the relative speed during a computation step. The solid-fluid interaction is taken into account by the drag force, and the pressure forces exerted on the particles. To validate the coupling, the numerical results of the sedimentation of a particle are compared with experimental results from the literature. Then, the hydrodynamics of the flow around a vertical cylinder on a semi-industrial scale (basin dimensions: 6.5m x 4.3m x 0.6m) were studied. Similar experimental work in the literature allowed us to lead the numerical/experimental confrontation. Also, the experimental study of the flow of viscous and granular media in a hydraulic channel was intended to highlight the coupling capabilities to take into account the influence of viscosity and porosity on the erosion. Finally, to achieve a full simulation, multi-scale modeling of the scour around a vertical cylinder was conducted. Confrontations between the numerical results and the experimental data from the literature allowed us to identify areas at risk, to interpret the role of porosity, adhesion, and flow regimes.