Modélisation des profils de vitesse et de concentration en solides dans les écoulements à surface libre

par Meron Welderufael

Projet de thèse en Génie civil - Cergy

Sous la direction de Rafik Absi et de Yannick Melinge.

Thèses en préparation à Cergy-Pontoise , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie , en partenariat avec QUARTZ (ECS, L@RIS, LISMMA) (laboratoire) depuis le 01-02-2018 .


  • Résumé

    Une conception acceptable et un meilleur contrôle des égouts requièrent généralement un débit, une contrainte de cisaillement et un flux de segment déterminés avec précision. Déterminer avec précision les profils de vitesse et de concentration de segment dans les égouts peut être une tâche ardue, car les eaux usées sont acheminées par gravité dans des conditions de flux turbulents, caractérisées par une large gamme d'échelles temporelles et temporelles. Parmi les autres facteurs de complexité du système, citons la variabilité temporelle de l’ampleur du flux, la géométrie complexe du canal, les caractéristiques physiques et chimiques distinctives des solides transportés, ainsi que le succès des processus de dépôt et d’érosion. Les profils de vitesse et de concentration en sédiments peuvent être déterminés avec précision en résolvant les équations générales combinées du transport, la continuité, les équations des stocks de Navier et les modèles multiphases, à l'aide de la simulation numérique directe (DNS). En plus de l’approche statistique, il est possible d’utiliser un ensemble d’équations, mais une approche statistique est utilisée pour estimer les équations de Navier Stocks, qui sont des équations aux dérivées partielles non linéaires. Les équations simplifiées sont appelées Reynolds. Ensuite, des équations supplémentaires, généralement connues sous le nom de modèles de turbulence, tentent de définir les termes de contrainte de Reynolds à partir de variables de débit moyen. Les équations analytiques complètement substituées au RANS, n'utilisent pas d'équations de transport supplémentaires, les plus complètes utilisées en ingénierie. en raison des hypothèses trop simplistes formulées pour développer les modèles. Même si des efforts importants ont été déployés pour améliorer ces modèles, les questions de précision, de généralité et de capacité de prévision des modèles restent des domaines de recherche ouverts. L'objectif général de ce travail est de fournir des modèles de profil de concentration de vitesse et de segment basés sur des fondements logiques appropriés et plus précis. Une forme simple de forme rectangulaire à paroi lisse avec canal ouvert et écoulement sans sédiments, écoulement en conditions stabilisées et uniformes les conditions seront considérées pour commencer l'enquête. Les modifications apportées aux modèles de profil en ce qui concerne la géométrie complexe des canaux et la réponse aux variations de rugosité causées par les formes de lits de dépôt seront examinées. Les profils de concentration des sédiments en suspension seront étudiés pour obtenir des modèles prédictifs. Les modèles mathématiques disponibles et leurs théories fondatrices seront évalués dans le cadre d'une analyse critique de la littérature, sur la base de laquelle des dérivations mathématiques ont été établies pour élaborer des modèles. Des résultats de simulation numériques supplémentaires issus de logiciels CFD tels que Ansys fluent seront utilisés pour combler les lacunes en matière de disponibilité des données, tandis que les données de mesure obtenues à partir de la littérature publiée seront utilisées pour valider de nouveaux modèles.

  • Titre traduit

    Modeling velocity and concentration profiles in open-channel flows


  • Résumé

    Towards accurate modeling of velocities and solid concentrations in sewer pipes Acceptable design and better control of sewers generally require accurately determined flow rate, shear stress and sediment flux. To determine these variables, predictions of velocity and sediment concentration profiles play the central role. Accurately determining velocity and sediment concentration profiles in sewers can be a challenging task because wastewater is conveyed by gravity under turbulent flow condition. And this phenomenon is characterized by large range of spatial and temporal scales; and hence, difficult to analyze and to model. Besides, additional factors that cause considerable complexity to the system include temporal variability of flow magnitude, complex geometry of channel, distinctive physical and chemical characteristics of the solids transported as well as successive deposition and erosion processes. Velocity and sediment concentration profiles can be accurately determined by solving the combined general transport equations; the continuity, Navier Stocks equations and multi-phase models, using direct numerical simulation (DNS). However, this method is not preferable in engineering applications due to the high computational resource required to accurately solve these set of equations. Instead a statistical approach is used to approximate the Navier Stocks equations, which are nonlinear partial differential equations. The simplified form is known as Reynolds averaged Navier Stocks’ equations (RANS) that results in unbalanced number of unknown parameters due to the resulting new terms; Reynolds stresses. Therefore, additional equations, generally known as turbulence models that attempt to define Reynolds stress terms from mean flow variables are provided. These additional models range from very simple analytical models to more complex numerical models. The analytical equations fully substitute the RANS, do not use additional transport equations, are simplest to solve and most widely used in engineering practices. However, prediction is known to be inaccurate because of oversimplified assumptions made to develop the models. Even though significant effort has been made to improve these models, issues on accuracy, generality and prediction capability of models remain an open area of research. Moreover, the interactions between flow variables in such complex environments are still poorly understood and it requires further investigation. Therefore, the general objective of this work is to provide velocity and sediment concentration profile models based on logical foundation that are suitable for use and more accurate. To achieve this objective we will start the investigation from simple geometry and flow conditions, which is the benchmark for more complicated flow scenarios. A simple condition of smooth-wall rectangular shape open-channel and with sediment-free water, flowing under steady and uniform conditions will be considered to begin the investigation. More complex flow scenarios will be investigated based on the results obtained for the simple flow condition. The changes on the profile models with respect to complex channel geometry and response to variations in roughness caused by bed forms will be investigated. And based on these results suspended sediment concentration profiles will be investigated to obtain predictive models. Available mathematical models and their founding theories will be assessed through critical literature review. Based on the assessment and established hypotheses mathematical derivations will be done to develop models. Measurement data obtained from published literature will be used to validate new models. Additionally, numerical simulation results from CFD software like Ansys fluent will be used to fill data availability gaps.