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Page de résumé pour ULgetd-10262006-095237

Auteur : Erpicum, Sébastien
E-mail de l'auteur : S.Erpicum@ulg.ac.be
URN : ULgetd-10262006-095237
Langue : Français/French
Titre : Optimisation objective de paramètres en écoulements turbulents à surface libre sur maillage multibloc/Parameters objective optimization in free surface turbulent flows on multiblock grid
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences de l'ingénieur
Département : FSA - Département ArGEnCo
Jury :
Nom : Titre :
DUBOIS, Jérôme Membre du jury/Committee Member
GAUDRON, Paul Membre du jury/Committee Member
LEONARD, Olivier Membre du jury/Committee Member
VERBANCK, Michel Membre du jury/Committee Member
LEJEUNE, André, G., H. Président du jury/Committee Chair
PIROTTON, Michel Promoteur/Director
Mots-clés :
  • équations des eaux peu profondes/shallow waters e
  • volumes finis/finite volumes
  • réseaux de rivières/rivers networks
  • Interaction numérique - expérimental/numerical -
  • optimisation automatique de forme/automatic shape
  • conservation de la quantité de mouvement/momentum
  • conservation de l'énergie/energy conservation
  • ressaut hydraulique/hydraulic jump
Date de soutenance : 2006-11-17
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

La chronologie des recherches théoriques et numériques exposées dans cet ouvrage est étroitement liée à notre attachement à l’expérimental et aux préoccupations pratiques des grands projets de constructions hydrauliques. Les applications variées qui sont envisagées quotidiennement au HACH (Hydrodynamique Appliquée et Constructions Hydrauliques – Secteur Mécanique des Solides, des Fluides et des Structures - Département ArGEnCo – Université de Liège), dont plusieurs exemples sont présentés, ont permis d’identifier aussi bien des pistes d’amélioration des modèles numériques existants au sein de la suite WOLF(suite logicielle intégrée développée par le HACH pour la modélisation et l’optimisation des écoulements à surface libre), que des besoins en nouvelles potentialités de représentation. C’est de là que sont nés la plupart des développements détaillés ici, avec comme objectif principal l’augmentation des capacités des logiciels du HACH pour l’aide à la gestion et au design d’ouvrages hydrauliques.

Le dimensionnement de structures hydrauliques, tout comme la majeure partie des problèmes touchant à l’hydrodynamique des écoulements à surface libre rencontrés dans la pratique, nécessite des études à grande et petite échelles, à l’aide de modèles adaptés localement aux phénomènes représentés, et donc variables au sein d’une même étude selon le point particulier examiné. D’autre part, l’optimisation de la forme ou du fonctionnement d’ouvrages hydrauliques requiert des outils de calibration robustes permettant une approche objective. Ces derniers doivent de plus être couplés à des logiciels de simulation dont la représentativité et les temps de calcul sont en accord avec les exigences de l’optimisation. Ces deux constats principaux posent le cadre des recherches entreprises et sont à la base de la définition des objectifs du travail.

Les premiers chapitres de développements s’attachent à décrire le cadre numérique de la suite logicielle WOLF, et plus particulièrement des codes 1D et 2D. La rationalisation des temps de calcul des simulations filaires à grande échelle est améliorée à ce stade par l’implémentation au sein du logiciel unidimensionnel d’un schéma d’intégration temporelle implicite, en parallèle du schéma explicite existant. De même, certaines améliorations sont déjà apportées au logiciel WOLF2D. Elles concernent l’extension automatique du domaine de calcul en fonction des mailles immergées – émergées, le traitement des termes sources de pente de fond et de frottement en accord avec une approche énergétique, la conservation volumique du modèle ainsi que la réorganisation de la filière de résolution des équations de façon à permettre une totale latitude dans le choix du modèle de calcul utilisé.

L’enrichissement des potentialités de modélisation des outils de la suite WOLF est ensuite poursuivi par l’établissement, l’implémentation et l’application à des cas théoriques et pratiques, d’un modèle de turbulence adapté aux caractéristiques spécifiques de la simulation des écoulements intégrée sur la hauteur d’eau.

Afin de dépasser les limitations, tant informatiques que de discrétisation, inhérentes à l’utilisation d’une taille de maille unique sur un domaine de simulation bidimensionnel, des développements sont entrepris pour permettre de mener les calculs bidimensionnels sur un maillage structuré cartésien constitué de plusieurs zones à la taille de maille différente. Dans le même ordre d’idée, des développements sont réalisés pour permettre l’utilisation de l’ensemble des outils de modélisation disponibles au sein du logiciel WOLF2D de façon simultanée et automatique au sein d’une même simulation. L’étape ultime de ces développements est réalisée en couplant les modèles uni- et bidimensionnel au sein d’une simulation unique.

Une fois toutes ces étapes de développement des modèles hydrodynamiques franchies, un logiciel adapté de calage automatique de paramètres est mis au point. Utilisable avec n’importe quel code de la suite WOLF, il permet la calibration de l’ensemble des paramètres physiques présents au sein des logiciels hydrodynamiques, ainsi que la résolution de tout problème d’optimisation ou de calibration à l’aide des mêmes modèles. La parallélisation de ce logiciel basé sur la méthode des Algorithmes Génétiques ouvre la porte à des applications d’envergure, dont le dimensionnement hydraulique d’ouvrages sur base de simulations bidimensionnelles d’écoulements turbulents à surface libre sur maillage multibloc.

A chaque étape, la validation des développements est réalisée de façon rigoureuse par la confrontation des résultats numériques à ceux de cas test, théoriques et expérimentaux, originaux ou proposés dans la littérature. De nombreux exemples d’applications pratiques illustrent l'ensemble des potentialités de modélisation développées et prouvent leur applicabilité et leur efficacité face aux problèmes pratiques rencontrés par les ingénieurs hydrauliciens./

The chronology of the theoretical and numerical researches outlined in this text is closely linked to our attachment to the physical modelling and to the practical concerns related to important hydraulic projects. The various applications carried out daily in the HACH (Applied Hydrodynamics and Hydraulic Constructions - Solid, Fluid and Structures Mechanics – ArGEnCo Department – University of Liege), several of the being presented here, enabled to identify the ways to improve the existing numerical models of WOLF (integrated software package developed by the HACH for free surface flows modelling), as well as needs in new representation potentialities. The most of the developments described in this text were born from there, with as main objective to increase the capacities of the HACH’s models to help to the management and the design of hydraulic constructions.

The hydraulic structures design, and the main part of the practical problems related to free surface flows hydrodynamics, requires both large and small scales studies, with reliable models locally suited to the represented phenomena, and thus variable in a single study depending on the particular point examined. On another hand, the shape and working optimization of hydraulic structures requires robust calibration tools allowing an objective approach. The latter have to be linked to simulation software with modelling capacities and computation times in agreement with the optimization requirements. Both these assessments specify the framework of the researches of this thesis and are at the roots of the definition of the objectives of this work.

The first chapters of developments aim to describe the numerical framework of the WOLF package, and more particularly the 1D and 2D models. The rationalization of the computation times for large scale one-dimensional simulations is improved at this stage by implementing in the 1D solver an implicit time integration scheme in parallel to the existing explicit one. Similarly, some improvements have been brought to the solver WOLF2D. They concern the automatic extension of the computation domain regarding the wet and dry cells, the treatment of the slope and roughness source terms with an energetic approach, the water volume conservation as well as the reorganization of the equations resolution scheme in order to be totally free in the choice of the mathematical model to solve.

The enrichment of the modelling potentialities of the WOLF software is then pursued by setting, implementing and applying an original turbulence model suited to the specific characteristics of the depth integrated flow modelling.

In order to get over the computer and modelling limitations inherent in the use of a single mesh size to model a 2D domain, developments have been carried out to allow the realisation of two-dimensional computations on a structured Cartesian grid composed of several areas with different mesh sizes. In the same way, developments have been carried out to use the whole of the mathematical models available in WOLF2D simultaneously and automatically in a single simulation. The ultimate step of these developments consisted in linking the 1D and the 2D models in a single computation.

Following all these steps of developments of hydrodynamic models, a suitable tool for parameters automatic calibration has been set up. Usable with any solver of the WOLF package, it allows the calibration of the whole of the physical parameters present in the hydrodynamic solvers, as well as the resolution of any calibration or optimization problem with these models. The final parallelisation of this Genetic Algorithms based tool opens the door to complex applications, such as the hydraulic design of structures on the basis of two-dimensional simulations of free surface turbulent flows on multiblock grid.

At each step, the validation of the developments is rigorously performed through the comparison of the numerical results with those from test cases, theoretical or experimental, original or from the literature. Several practical applications examples illustrate the whole of the developed modelling potentialities and prove their applicability and efficiency facing the most of practical problems encountered by hydraulic engineers.

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