Modélisation tridimensionnelle des écoulements turbulents en conduite d'assainissement à surface libre

par Jonathan Wertel

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Robert Mosé.

Soutenue en 2009

à Strasbourg .


  • Résumé

    L’objectif de ce travail est l’interpolation du débit à partir de données issues de vélocimètre à effet Doppler. Pour ce faire une modélisation précise des écoulements turbulents doit être implémentée dans un code conçu pour les conduites d’assainissement. Du fait de l’uniformité de l’écoulement dans le sens du flux, un maillage 2D est utilisé pour effectuer le calcul du champ de vitesse en 3D. Un modèle RSM des écoulements turbulents uniformes à surface libre a donc été développé en version bas-Reynolds afin de pouvoir intégrer les équations en zone proche paroi incluant la sous-couche visqueuse. Une combinaison de (Shir, 1973), (Gibson & Launder, 1978) et (Cokljat, 1993) a été additionnée au terme de corrélation fluctuation de pression/champ moyen de vitesse afin de prendre en compte l’effet d’amortissement de la surface libre et le caractère redistributif d’énergie cinétique turbulente des parois. Ce modèle a été implémenté (sous Matlab) dans un code aux volumes finis, tout comme un modèle k-ε à titre de comparaison. On montre ainsi le rôle prépondérant du caractère anisotrope de la turbulence dans la génération des courants secondaires. Les résultats présentés sont comparés avec ceux de (Kang & Choi, 2005) qui ont développé un modèle RSM utilisant des lois de paroi et avec les résultats expérimentaux de (Nezu & Rodi, 1985). Il y a une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Les effets sur les tensions de Reynolds de l’annulation de la contrainte tangentielle aux coins sont reproduits. Par ailleurs, la projection du champ moyen de vitesse sur une section transverse met en évidence des courants secondaires, notamment des petites structures au niveau des angles formés par la surface libre avec les parois. Enfin, des cas expérimentaux issus de la littérature sont modélisés afin de comparer les débits mesurés avec ceux calculés par le modèle présenté, là encore il y a une bonne corrélation. Pour finir, un banc d’essai a été conçu pour la mesure de vitesse en canal. Un banc de déplacement automatisé a été assemblé autour d’un canal de 20m de long, il est équipé des systèmes de mesure par ADV et PIV.

  • Titre traduit

    3D free surface turbulent flow in sewer net pipe modeling


  • Résumé

    The aim of this work is the interpolation of a mean flow stream from discreet data supplied by a Doppler velocimeter. This is why a precise flow modeling needs to be implemented in a code designed for sewer net conduit. A 2D mesh is used to calculate 3D velocity flow. This work deals with the description of a Reynolds stress model for the numerical modeling of uniform 3D turbulent open-channel flows. The turbulence model is low-Reynolds one in order to enable the viscosity-affected region to be resolved including the viscous sublayer. Therefore, in order to consider the damping effects at the free surface and the redistribution of turbulent kinetic energy effects at the wall, a combinations of (Shir, 1973), (Gibson & Launder, 1978) and (Cokljat, 1993) models are added to the pressure-strain term. The finite volume method is used for the numerical solution (with Matlab) of the flow equations and transport equations of the Reynolds stress components. K-ε model has been implanted to compare with the developed model; it is found that both production terms by anisotropy of Reynolds normal stress and by Reynolds shear stress contribute to the generation of secondary currents. The results presented here are compared with results predicted by the RSM model of (Kang & Choi, 2005) employing wall functions and with experimental data of (Nezu & Rodi, 1985). There is a good agreement between the measurements and the results predicted. Effects of low corner’s wall shear stress on Reynolds stress are underlined. The computed flow vectors in the plane normal to the main flow direction show secondary currents and moreover a small vortex, called inner secondary currents, located at the juncture of the sidewall and the free surface. Then experimental cases are modeled, good agreement of flow rate predicted with measurement was found. Finally test bench has been created for velocity channel measurements. An automated portal structure has been assembled all around a 20m long channel to fix onto the ADV and PIV sensors.

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La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (X-171 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 167-171

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2009;0402
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