Numerical contributions for the study of sediment transport beneath tidal bores

par Yoga Satria Putra

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides

Sous la direction de Serge Huberson et de Anthony Beaudoin.

Le président du jury était Gérard Pineau.

Le jury était composé de Serge Huberson, Anthony Beaudoin, Lionel Thomas, Isabelle Brenon, Lucille Furgerot.

Les rapporteurs étaient Pierre Lubin, Sylvain Guillou.

  • Titre traduit

    Contributions numériques pour l'étude du transport des sédiments sous les mascarets


  • Résumé

    Une étude de l'impact des mascarets sur le transport des sédiments à l'aide de la simulation numérique a été réalisée dans ce travail. En utilisant le logiciel OpenFOAM CFD, nous avons généré 17 simulations numériques de mascaret avec divers nombres de Froude Fr, allant de 0,99 à 1,66. Deux types de mascarets, ondulant et déferlant, ont été couverts dans ces 17 simulations numériques. Pour les particules sédimentaires non cohésives, nous avons utilisé les équations de Maxey et Riley pour déterminer la trajectoire des particules sédimentaires non cohésives sous l’influence d’un mascaret ondulant. En utilisant le schéma Runge-Kutta du quatrième ordre, une méthode tracker résout les équations de Maxey et Riley qui nécessitent l’information des champs de vitesse au temps t. Pour les particules sédimentaires cohésives, nous avons calculé la distribution des particules sédimentaires cohésives en utilisant un modèle de transport de flocs, présenté par Winterwerp (2001). Dans ce modèle, la concentration volumique solide des sédiments et le diamètre des flocs D sont estimés. Les équations de transport de et D sont résolues en utilisant la méthode des moments présentée par Beaudoin et al. (2002 et 2004). La méthode des moments permet de réduire le temps CPU rendant possible une étude paramétrique. De ce travail, nous avons trouvé une classification du mascaret en fonction du nombre de Froude Fr. Cette classification est également basée sur l’étude menée par Furgerot (2014). Pour un nombre de Froude 1,04 < Fr < 1,43, le mascaret est ondulant. Pour un nombre de Froude 1,43 < Fr < 1,57, le mascaret est partiellement déferlant, similaire à la transition de mascaret définie par Furgerot (2014). Pour un nombre de Froude Fr > 1,57, le mascaret est totalement déferlant. Une analyse de la distribution de la pression a été effectuée par Baddour et Song (1990). Nous avons trouvé que les pressions totales et hydrostatiques d’un mascaret ondulant ont de grandes valeurs sous la crête et le creux. Dans le cas d’un mascaret ondulant, les pressions totales ne sont pas égales à les pressions hydrostatiques. Cela provoque la présence de pressions dynamiques. Dans le cas de mascaret déferlant, les pressions totales deviennent égales aux pressions hydrostatiques. La turbulence réduit les pressions dynamiques. L'impact des mascarets sur le transport de particules sédimentaires non cohésives et cohésives a été étudié dans ce travail. Pour les particules sédimentaires non cohésives, nous avons observé que la trajectoire utilisant l’écoulement généré par OpenFOAM est similaire à la trajectoire de type e proposée par Chen et al. (2010). Des modifications du modèle de Chen ont été faites en incluant les effets de la gravité, l’élévation et l’atténuation pour reproduire des trajectoires de particules non cohésives sous un mascaret ondulant. Nous avons obtenu des relations linéaires entre les paramètres du modèle de Chen modifié (β1 , β2 et β3) et le nombre de Froude Fr. C’est parce que le niveau de la turbulence du mascaret ondulant est faible. L’écoulement induit par mascaret ondulant n’est pas complexe. Ce phénomène physique est quasi linéaire. Le paramètre β1, lié à la célérité avant du mascaret ondulant, diminue lorsque le nombre de Froude Fr augmente. Les paramètres β2 et β3, liés respectivement à l’élévation et à l’atténuation du mascaret déferlant, augmentent lorsque le nombre de Froude Fr augmente. Enfin, pour les particules sédimentaires cohésives, nous avons calculé la distribution de la taille des flocs D sous deux types de mascaret, ondulant et déferlant. Nous avons utilisé le diamètre initial de la particule sédimentaire cohésive d = 4 μm. La taille du floc initial D est égale à 10 μm avec la concentration du floc c = 0,5 kg/m3 . Et nous avons limité la taille maximale du floc à 2000 μm. Nous avons observé que la valeur maximal de la taille des flocs Dmax augmente de façon exponentielle par rapport au nombre de Froude Fr.


  • Résumé

    A study of the impact of tidal bores on sediment transport by using the numerical simulation has been done in this work. Using OpenFOAM CFD software, we have generated 17 numerical simulations of tidal bores with various values of Froude number Fr, ranging from 0.99 to 1.66. Two types of tidal bores, undular and breaking, have been covered in these 17 numerical simulations. We have studied the behavior of two types of sediment particles, non-cohesive and cohesive sediment particles. For the non-cohesive sediment particles, we have resolved the Maxey and Riley equations to study the influence of undular tidal bores on the trajectory of non cohesive sediment particles. Using the fourth order Runge-Kutta scheme, the method tracker can solve the Maxey and Riley equations that requires the information of velocity fields at time t. For the cohesive sediment particles, we have calculated the distribution of cohesive sediment particles using a floc model that allows to estimate the sediment solid volume concentrationand the diameter of flocs D, presented by Winterwerp (2001). The transport equations of and D are solved using the moment method presented by Beaudoin et al. (2002 and 2004). The moment method has been used because it allows to reduce the CPU time, making feasible a parametric study. From this work, we have found a classification of tidal bores as a function of Froude number Fr. This classification is also based on the study conducted by Furgerot (2014). We have obtained that for a Froude number 1.04 < Fr < 1.43, the tidal bore is undular. For 1.43 < Fr < 1.57, the tidal bore is partially breaking that is similar with the tidal bore transtition defined by Furgerot (2014). For Fr > 1.57, the tidal bore is totally breaking. An analysis of pressure distributions has been performed by Baddour and Song (1990). We found that the total and hydrostatic pressures of undular tidal bores have great values under the crest and the trough wave. In the case of undular tidal bores, the total pressures are not equal to the hydrostatic pressures. In the case of breaking tidal bores, the total pressures become equal to the hydrostatic pressures when the tidal bores are totally breaking. The turbulence reduces the dynamic pressures. The impact of tidal bores on the transport of non-cohesive and cohesive sediment particles have been studied in this work. For the non-cohesive sediment particles, we have observed that the trajectory using the flow generated by OpenFOAM is similar with the type e trajectory proposed by Chen et al. (2010). The modifications of Chen’s model have been done by including the effects of gravity, elevation and attenuation to reproduce non-cohesive particle trajectories under an undular tidal bore. We have obtained that the relationship between the Chen’s parameters (β1 , β2 and β3) and the Froude number Fr are linear. This is because the level of turbulence for undular tidal bores is low. The flow induced by an undular tidal bore is not complex. This physical phenomenon is quasi linear. The parameter β1 , related to the front celerity of tidal bores, decreases when the Froude number Fr increases. The parameters, β2 and β3, related to the elevation and attenuation of tidal bores respectively, increase when the Froude number Fr increases. Finally, for the cohesive sediment particles, we have calculated the distribution of floc size D under two types of tidal bore, undular and breaking. We have used the initial diameter of cohesive sediment particles d = 4 μm. The initial floc size D is equal to 10 μm with the consentration of floc c = 0.5 kg/m3. And we have limited the maximum floc size equal to 2000 μm. We have obtained that the maximum value of floc size Dmax increases exponentially with the Froude number Fr.


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