Modélisation numérique et expérimentale de l'écoulement à travers un milieu poreux constitué de végétaux aquatiques

Numerical and experimental modelling of the flow through a porous medium made of aquatic plants

• Auteur / Autrice : Ahmed Yahyaoui
• Direction : Damien Violeau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LHSV - Laboratoire Hydraulique Saint Venant
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale des ponts et chaussées (France ; 1747-....)

Mots clés

Mots clés libres

Colmatage

Végétaux aquatiques

Pertes de charge

Milieu poreux

Aquatic plants

Clogging

Porous medium

Head loss

Résumé

Les prises d'eau urbaines et industrielles dépendent d'un approvisionnement constant en eau propre, qui peut être perturbé par l'accumulation de végétation aquatique due à des facteurs environnementaux ou naturels, tels que les inondations. Les grilles installées pour bloquer ces débris risquent de se boucher, entraînant des pertes de charge et affectant la fiabilité des structures de prise d'eau. Parmi les travaux conduits à EDF R&D sur ce sujet figurent des analyses théoriques et des essais en canaux expérimentaux. Lorsque le matelas de végétaux colmatants est de forte épaisseur, modéliser la perte de charge résultante est difficile, car l'eau s'écoule dans un milieu poreux végétal complexe et à la porosité élevée ; le modèle classique de Darcy échoue alors à prédire l'écoulement. L'objet de cette thèse est de contribuer au développement d'un modèle numérique capable de modéliser le comportement d'une veine d'eau tridimensionnelle à surface libre coulant dans un chenal obstrué par une grille en partie colmatée de végétaux. Ce travail doit permettre à l'ingénierie d'EDF de mieux comprendre les risques liés à ce type d'événements. A noter que ce sujet est scientifiquement très innovant, puisqu'il n'existe pratiquement pas de publication sur cette application précise des sciences relatives aux milieux poreux. La thèse comporte essentiellement deux volets : numérique et expérimental. La partie expérimentale se fera en partie dans les locaux d'EDF R&D à Chatou, en partie (très probablement) à l'IMFT Toulouse. Les développements théoriques se feront dans le logiciel Code_Saturne développé par EDF R&D en open-source et sous assurance qualité. On suivra le programme prévisionnel suivant : - Bibliographie sur les situations d'ingénierie concernées, sur le devenir des végétaux naturels dérivant dans les rivières (et éventuellement en mer), sur la physique des écoulements en milieux poreux complexes, etc. - Prise en mains de Code_Saturne, notamment de son module d'écoulements diphasiques en milieux poreux (responsable EDF : Jérôme Bonelle). - Définition d'un premier cas schématique à partir des expériences effectuées par EDF R&D en 2021, et tentative de reproduction avec Code_Saturne. - Participation à des essais expérimentaux permettant de déterminer les caractéristiques poreuses (porosité, conductivité hydraulique, etc.) de différents matelas végétaux, en faisant varier le type de plantes, leur compaction et éventuellement leur dégradation. - Elaboration d'un modèle théorique plus sophistiqué que l'existant de Code_Saturne, implémentation et validation sur le cas schématique. - Validation du modèle sur au moins un cas réaliste avec la topographie de l'ouvrage de prise d'eau d'un site nucléaire EDF.

Urban and industrial water intakes rely on a steady supply of clean water, which can be disrupted by the accumulation of aquatic vegetation caused by environmental or natural factors, such as flooding. The screens installed to block these debris are at risk of clogging, leading to head losses and impacting the reliability of the water intake structures. EDF R&D conducts both theoretical analyses and experimental tests in channels to address this issue. When the layer of plant-based clogging agents is thick, modeling the resulting head loss becomes challenging because the water flows through a complex porous medium with high porosity, making the classical Darcy model inadequate for predicting the flow. The objective of this thesis is to contribute to the development of a numerical model capable of simulating the behavior of a three-dimensional free-surface water stream flowing through a channel obstructed by a grid partially clogged with plant debris. This work aims to help EDF's engineering teams better understand the risks associated with such events. It is worth noting that this topic is scientifically innovative, as there is virtually no existing literature on this specific application of porous media sciences. The thesis primarily involves two aspects: numerical and experimental. The experimental part will take place partly at EDF R&D facilities in Chatou and partly (most likely) at IMFT in Toulouse. The theoretical developments will be carried out using the Code_Saturne software, developed by EDF R&D as an open-source and quality-assured tool. The proposed timeline is as follows: - Review of literature on relevant engineering scenarios, the behavior of natural vegetation drifting in rivers (and possibly in the sea), the physics of flows in complex porous media, etc. - Familiarization with Code_Saturne, particularly its two-phase flow module for porous media (EDF contact: Jérôme Bonelle). - Definition of an initial schematic case based on experiments conducted by EDF R&D in 2021, with an attempt to replicate it using Code_Saturne. - Participation in experimental tests to determine the porous characteristics (porosity, hydraulic conductivity, etc.) of different vegetative mats, varying the type of plants, their compaction, and possibly their degradation. Development of a theoretical model more sophisticated than the existing one in Code_Saturne, followed by implementation and validation using the schematic case. Validation of the model on at least one realistic case with the topography of a water intake structure at an EDF nuclear site.