Modélisation des effets de topographie sur une couche limite neutre

Modeling of topography effects on a neutral boundary layer

• Auteur / Autrice : Karim Adib
• Direction : Dominique Astruc, Frédéric Y. Moulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces Interfaces Continentales Hydrologie
• Date : Soutenance le 05/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Aubrun-Sanches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Astruc, Frédéric Y. Moulin, Sandrine Aubrun-Sanches, Pietro Salizzoni, Isabelle Calmet, Laurent Bricteux, Olivier Eiff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pietro Salizzoni, Isabelle Calmet, Laurent Bricteux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Topographie

Simulation par ordinateur

Résistance au vent

Mots clés libres

Colline 2D

Ecoulement sur colline

Enchainement de collines

Modèle de couche de mélange

Couche limite atmosphérique

Couche limite turbulente

K-epsilon

2D hill

Flow over hill

Successive hills

Mixing layer model

Atmospheric boundary layer

Turbulent boundary layer

K-epsilon

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de partenariat de recherche entre l’Institut de Mécanique des fluides de Toulouse et l’entreprise TDF spécialisée dans la gestion et la mise en place d’infrastructures du réseau numérique et audiovisuel. TDF gère un parc de pylônes dotés d’antennes de diffusion sur l’ensemble du territoire européen. La gestion de ce parc de pylônes nécessite de connaître les efforts subis par les installations, en particulier ceux dûs au vent. Les sites de TDF sont situés en altitude afin de faciliter la diffusion. Dans ce contexte, TDF utilise une méthode analytique basée sur les travaux de Jackson et Hunt [1975] pour déterminer la vitesse de vent sur ces sites. Néanmoins, cette méthode analytique a des limites d’application, sa validité est en effet remise en question dans des situations d’enchaînement de topographies avec des pentes élevées. L’objectif de la thèse est d’étudier ces configurations de topographie au moyen de simulations numériques. Des situations de topographie 2D isolée avec une pente élevée ainsi que des enchaînements de topographie 2D sont étudiées. La première partie de ce travail consiste à valider le modèle numérique en se basant sur des données expérimentales collectées dans un canal hydraulique reproduisant un écoulement sur des topographies 2D. La modélisation numérique dans notre étude utilise une approche RANS avec un modèle de turbulence standard k epsilon. La comparaison avec les données expérimentales montre une bonne prédiction de l’écoulement par notre modèle numérique. Après la validation du modèle, une étude comparative a été réalisée entre une méthode analytique de prédiction des vents basée sur les travaux de Taylor et Lee [1984], les données expérimentales et les données numériques pour des configurations de topographie isolée. Les résultats montrent que la méthode analytique sousestime le coefficient d’accélération relative S et entraîne une augmentation de l’erreur sur l’estimation de S dans la zone de couche interne définie par Jackson et Hunt [1975]. Pour finir, cette thèse se focalise sur l’étude d’enchaînement de topographies 2D en situation de décollement de l’écoulement. Dans cette configuration, en fonction de la distance séparant les deux topographies, la zone de séparation de l’écoulement qui se forme à l’aval de la première topographie influence l’écoulement sur la seconde topographie. Les simulations réalisées en variant la distance ont permis d’observer un comportement proche d’une couche de mélange au niveau de la zone de séparation de l’écoulement de la première topographie. Cette observation a permis de proposer une modélisation analytique de l’écoulement basée sur un modèle de couche de mélange plane (Pope [2000]). Cette modélisation permet d’obtenir une estimation de l’écoulement turbulent venant impacter la seconde topographie lorsqu’elle se trouve dans la zone de séparation de l’écoulement de la première topographie.

This PHD thesis is part of a research partnership project between the Fluid Mechanics Institute of Toulouse and the TDF company, specialized in the management and installation of digital and audiovisual network infrastructures. TDF manages a pylons park throughout European territory. It requires knowledge of the forces acting on the pylons, in particular the ones induced by the wind. TDF sites are located at high altitude to facilitate broadcast. In this context, TDF uses an analytical method based on the work of Jackson and Hunt [1975] to determine the wind speed on these sites. This analytical method has limitations, as its validity is questioned in situations of successive topography with steep slopes. The objective of this thesis is to study these configurations of complex topographies, by means of a series of numerical simulations of 2D steep isolated topography and successive 2D topography configurations. In the first part of this work, we validate the numerical model by using experimental data collected in a flume producing a flow on 2D topographies. The numerical modeling in our study uses a RANS approach with a standard turbulence model k epsilon. The comparison with experimental data shows that our numerical model provides a good estimation of the flow. Then, a comparative study is carried out between the analytical method of Taylor and Lee [1984], the experimental data and the numerical data for an isolated topography. The study shows that the analytical method underestimates the speed up factor S and increases the error of S estimation in the inner layer defined by Jackson and Hunt [1975]. Finally, this thesis focuses on the study of successive 2D topographies in situations of flow detachment. Depending on the distance separating the two topographies, the separated flow area created downstream of the first topography impacts the flow of the second topography. By varying the distance , the simulation showed a behavior similar to a mixing layer in the separation flow area of the first topography. Based on this observation, we propose an analytical model based on the planar mixing layer model (Pope [2000]). This modeling gives an estimation of the turbulent flow that impacts the second topography when it is located in the separation flow area of the first topography.