Note publique d'information : L'affouillement au pied des digues est l'un des principaux facteurs de l’endommagement
structurel des digues, impliqué dans 12% des cas documentés. Pour les applications
pratiques, l'affouillement au pied des digues est souvent modélisé avec une approche
empirique simple qui a ses limites. Bien que des observations sur le terrain et des
travaux expérimentaux soient utiles, il existe des limites dans l'approche. La pertinence
des expériences en laboratoire est limitée par des problèmes de similitude et les
expériences en vraie grandeur coûtent cher, et ne permettent pas une maîtrise des
conditions expérimentales. Les simulations numériques nous offrent une alternative
intéressante mais posent aussi quelques défis. La première difficulté est la modélisation
correcte de la dynamique de la surface libre, y compris le processus de déferlement
de la vague. Le deuxième problème est la modélisation de l’érosion des sédiments du
lit, et l’influence de l’évolution du profil du lit sur l’écoulement. Enfin, pour
être utile, la méthode doit être robuste, ne nécessitant que des ressources de calcul
raisonnables de calcul pour effectuer la simulation d’un domaine d’une taille pertinente.Cette
thèse décrit le développement d’un modèle numérique intégré basé sur OpenFOAM – une
plate-forme CFD open source – qui comprend la dynamique de surface libre, le transport
des sédiments et le processus de déformation du lit. La dynamique de surface libre
est modélisée à l'aide de la méthode Volume of Fluid (VOF) avec des zones de relaxation
pour la génération et l’absorption de la houle. Le processus de transport des sédiments
est modélisé avec un transport par charriage et un transport des sédiments en suspension
et l’échange avec le lit est calculé avec la méthode des Surfaces Finies. La déformation
du lit est calculée avec l'équation de continuité des sédiments, et le maillage est
déformé pour tenir compte du changement de lit.Plusieurs essais d'étalonnage ont été
effectués pour caractériser les capacités du modèle. Premièrement, l’influence de
la résolution spatiale et des schémas numériques sur la propagation de la houle ont
été étudiés. Puis, plusieurs méthodes pour éliminer la réflexion de la houle ont été
implémentées et comparées. La dérive de Stokes dans un canal fermé a été calculée
et comparée avec les résultats théoriques et expérimentaux. Il est montré que le modèle
surestime la dérive de Stokes près de la surface, parce que la pression à la surface
libre n’est pas calculée correctement, et ceci induit une vitesse négative trop importante
à l’intérieure du fluide. Quatrièmement, le calcul de la contrainte de cisaillement
du lit a été testé avec le cas d’une couche limite oscillatoire. Deux méthodes pour
le calcul de la contrainte de cisaillement au lit ont été testées avec différentes
résolutions spatiales. Enfin, tous ces éléments ont été testés ensemble, dans la simulation
d’une rupture de barrage sur fond mobile, avec comparaison des résultats avec une
expérience en laboratoire. Le transport solide est créé principalement par un écoulement
de type ‘sheet flow’, et un nouveau modèle est proposé pour la prise en compte de
ce phénomène, basé sur la modélisation des lits fluidisés. Cette approche est une
adaptation du modèle standard pour le transport des sédiments en suspension, avec
l’avantage de ne pas nécessiter un modèle propre au phénomène. Enfin, le modèle est
utilisé pour simuler l’impact de la houle sur une digue, avec un lit horizontal et
une plage inclinée, sans déformation du lit. Puis l’affouillement et la déformation
du lit sont inclus pour les deux cas.
Note publique d'information : Scour at the foot of the seawalls (toe-scour) is one of the major causes of structural
damage to sea-walls, involved in 12% of directly-observed damages. For engineering
purposes, simple empirical approaches are often used to predict toe-scour but these
are often limited. And whilst data from field observations and experimental studies
are both very valuable, they both suffer from practical limitations. Experimental
work for example is limited by similarity constraints and full scale experiments are
expensive, without allowing detailed control of individual parameters. Numerical simulations
therefore offer an interesting alternative but they are not without challenges. The
first problem is the correct modelling of free surface dynamics including wave breaking
processes. The second is modelling the scour development process and its feedback
on the flow pattern. Finally, to be practically useful, the method should be robust
and use reasonably affordable computational resources for full-scale simulation.This
thesis describes the development of an integrated numerical model is based on OpenFOAM
– an open source CFD platform – which includes free surface dynamics, sediment transport
and bed deformation processes. The free surface dynamics are modeled using the Volume
of Fluid (VOF) method with wave generation and absorption capabilities based on the
use of a relaxation zone. The sediment transport process is calculated based on the
bed load and suspended load approach and solved in the bed boundary using the Finite
Area Method. The bed deformation is calculated using the sediment continuity equation,
and the mesh is updated to take account the bed change.Several calibration tests have
been performed to determine the model capabilities. Firstly, a sensitivity analysis
was performed to characterize the influence of mesh size and numerical schemes on
wave propagation. Secondly, several methods were compared for eliminating unwanted
wave reflection. The model was then used to compute the wave-induced mass transport
velocity in a closed flume, and the results compared with the theoretical solution
and experimental data. It is shown that the failure to model correctly the pressure
condition at the free surface leads to an overestimate of the drift close to the surface,
which has to be compensated by an excessive negative drift in the body of the fluid.
Fourth, the bed shear stress calculation is tested by studying the case of an oscillatory
flow boundary layer. Two methods for computing the bed shear stress have been devised
and tested with different mesh sizes. Finally, a simulation is carried out using all
of these developments, to simulate the problem of erosion induced by the unsteady
flow resulting from a dam-break, and the results are compared with an experimental
test case. The sediment transport occurs mainly in the form of sheet flow, and a new
method of simulating sheet flow has been devised, based on an analogy with dispersion
in a fluidized bed. This approach has the advantage over previous models that it does
not require any ad-hoc modification of existing sediment transport models. Finally,
the complete model is applied to the case of waves impacting on a sea wall, first
for horizontal bed case and second for the case of a sloped beach. The hydrodynamic
properties of the flow are analyzed for both cases without using the bed deformation
module. Then the scour model with movable bed is included in the simulation, for both
cases.
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