En construction navale militaire, les navires sont conçus pour résister à des menaces conventionnelles comme les mines ou les torpilles. Ces conceptions s’appuient sur des calculs aux explosions sous-marines lointaines qui sont bien maîtrisées aujourd’hui. Depuis la Seconde Guerre Mondiale, cette thématique a en effet bénéficié d’importants travaux de recherche. Ceux-ci ont abouti à des méthodes numériques robustes qui permettent de simuler l’essentiel des phénomènes caractérisant ces événements. Ces méthodes, utilisées en ingénierie, s’appuient cependant sur des hypothèses restrictives qui limitent leur champ d’application. Elles sont discriminantes si l’on souhaite simuler les explosions sous-marines en champ proche, caractérisées par des phénomènes fortement non-linéaires. Dans ce cadre, on adapte la méthode éléments finis Euler-Lagrange Multi-Matériaux avec Couplage Euler-lagrange, pour simuler ces problèmes. Les évolutions présentées dans la thèse s’articulent autour de deux points. (1) La méthode est développée en deux dimensions pour résoudre les problèmes 2D axisymétriques avec une rapidité et une précision accrues par rapport aux simulations 3D. (2) La projection des résultats 2D sur des grilles de calculs différentes 2D ou 3D est implémentée. Cette technique de projection permet de résoudre le problème complet par des phases successives dont la physique se situe sur des échelles de temps et d’espace très différentes, et qui nécessitent des maillages adaptés. Les développements effectués sont finalement intégrés dans le code de calcul LS-DYNA version 5.1.1, et validés pour les différentes phases du problème à partir de résultats théoriques et expérimentaux. / In military shipbuilding, ships are designed to withstand conventional threats such as mines or torpedoes. These designs are based on calculations of structural response to underwater explosions in far field, what is relatively well controlled today. The thematic of underwater explosions has indeed benefited from extensive research since the Second World War. This has resulted in robust numerical methods to simulate the main phenomena that characterize such events. These methods used in engineering are based on assumptions that limit their scope. These restrictions are discriminatory when we attempt to simulate underwater explosions in near field which are mainly nonlinear phenomena. In this context, the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian method with Euler-Lagrange coupling is chosen to simulate these problems. To make the method more easily applicable in engineering, its adaptation is based on two points. (1) Firstly the method is developed for two-dimensional cases in order to solve 2D axisymmetric problems with higher speed and accuracy compared to 3D simulations. (2) Then the projection of results from two-dimensional analysis on 2D or 3D grids is implemented. The projection from one grid to the other allows solving the whole problem through successive phases for physics on very different time scales and space scales, what necessitates adapted meshes. The developments are implemented in LS-DYNA code for the revised version 5.1.1 and validated for the different phases of the problem from theoretical and experimental results.

Le décrochage de microparticules adhérant à une surface grâce aux écoulements se rencontre dans de multiples situations où le nettoyage minutieux ou sélectif de parois est crucial. Par exemple, l’industrie agroalimentaire rencontre des problèmes récurrents d’accrochage robuste de bactéries (microparticules) aux parois des lignes de production d’aliments comme le lait ou la viande. Dans cette thèse, l’utilisation d’un écoulement diphasique avec une interface fluide-fluide en complément d’un écoulement monophasique cisaillé a été considérée. L’interaction entre une interface liquide et une particule dépend principalement de l’énergie de surface totale. Elle correspond aux paramètres de mouillage et introduit une force supplémentaire qui peut contribuer à la force totale nécessaire pour le décrochement. Dans le cas d’un décrochement des microparticules et leur collecte par interface fluide-fluide, la stabilité de cette dernière se voit alors changer si sa surface n’est plus apte à accueillir davantage de particules. D’autre part, la dynamique d’une particule ellipsoïde, similaire à une spore, a été étudiée numériquement dans la seconde partie de cette thèse. L’étude a eu comme but de déterminer les conditions pour lesquelles une particule prés d’une paroi peut s’y approcher ou s’en éloigner. Dans la dernière partie nous avons étudié l’influence des conditions initiales et en particulier le séchage sur les forces nécessaires pour le décrochement des spores. / Food contamination due to pathogens and spoilage bacteria on surfaces of industrial equipment is a major issue that has not yet found a proper solution. Indeed, despite the set-up of cleaning and disinfection procedures, some bacteria (microparticles) are still commonly found on the surfaces of food processing lines. Traditionally, industrial cleaning procedures involve viscous stresses in a single-phase flow to remove spores from a surface. The present study investigates the use of two-phase flows for improving cleaning procedures. Such system has the advantage of involving interfacial forces that can aid in the removal of microparticles as long as certain wetting conditions are met. This would imply the detachment and collection of the microparticles by the fluid-fluid interface. This collection will in turn affect the dynamics of the interface if its surface is insufficient to accommodate all particles. With respect to viscous stresses in removing particles, a numerical code is developed to study the dynamics of ellipsoids near a solid surface in a shearing flow. The shape of the microparticles in the simulations is set to mimic the spores morphology. Finally, the study examines the effect of the initial environment on the ease of spores removal. In particular, the study investigates the drying conditions that spores undergo in an industrial environment before the cleaning procedures start.

Ce travail de thèse porte sur l’étude numérique de la propagation d’ondes de choc dans les écoulements compressibles multiphasiques et en interaction (fluide-structure). Deux approches sont étudiées pour la résolution numérique de la partie fluide : L’approche ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) et l’approche lagrangienne SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) ; la partie structure, quant à elle, est résolue par une approche classique EF (Éléments finis). L’étude des méthodes ALE et SPH constituent les deux principaux axes de recherche. La problématique des coups de bélier dans l’ingénierie nucléaire est abordée dans cette thèse. Lors d’un coup de bélier, les nombreuses réflexions d’ondes de choc dans les tuyauteries nucléaires peuvent faire baisser la pression de l’eau en dessous de sa pression de saturation et générer localement de la cavitation. Le modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model) de changement de phase proposé par Saurel et al. (1999) à trois équations est étudié et appliqué aux coups de bélier. Les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales. Malgré l’utilisation des techniques de renormalisation en SPH, des instabilités (oscillations numériques) se développent à l’interface entre les particules de matériaux différents. Ces instabilités restreignent l’utilisation des schémas SPH classiques pour des problèmes à faible ratio de densité. Afin de résoudre les problèmes de choc, le schéma proposé par Hu et Adams (2006) est adapté au régime fortement compressible en considérant le couplage entre la densité et la longueur de lissage. Les différents schémas SPH sont comparés entre eux pour les problèmes de chocs multiphasiques en 1-D et 2-D. Les résultats SPH sont validés avec la solution exacte pour les problèmes 1-D et la solution ALE pour les problèmes 2-D. / This thesis focuses on the numerical study of the propagation of shock waves in compressible multiphase flows and fluid structure interaction. Two approaches are being studied for the numerical solution of the fluid part: the ALE approach (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and the Lagrangian SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) approach; while the structure part is solved by a conventional FE (Finite Element). The numerical investigation of the ALE and SPH methods are the two main areas of research.Water Hammers phenomena occuring in nuclear industries are investigated in this thesis. During a Water Hammer, the shock waves reflections in nuclear piping may drop locally the water pressure below its saturation pressure and generate cavitation. The three equations HEM (Homogeneous Equilibrium Model) phase change model proposed by Saurel et al. (1999) is studied and applied to solve water hammers. The obtained results are compared with experimental data. Despite the use of renormalization techniques in SPH, instabilities (numerical oscillations) are developed at the interface between particles from different materials. These instabilities restrict the use of traditional SPH schemes to problems with low density ratio. In order to solve the shock problems in the compressible regime, the scheme originally proposed by Hu and Adams (2006) is adapted to fully compressible regime (FC-SPH) by considering the coupling between the density and the smoothing length. The different SPH schemes are compared for 1-D and 2-D multiphase shock problems. Validation is performed in comparison with exact solutions for 1-D problems and ALE solution for 2-D problems.

Les maladies pulmonaires obstructives touchent aujourd'hui plusieurs millions de personnes dans le monde. Ces maladies se manifestent par l'accumulation d'un liquide appelé mucus dans les poumons, pouvant aboutir, lorsqu’elle est trop importante, à la formation de ponts liquides entravant la circulation de l’air. Les voies pulmonaires peuvent néanmoins se rouvrir via la rupture de ces ponts liquides. Ces réouvertures peuvent résulter du cycle respiratoire, d’écoulements plus violents provoqués par le mécanisme de toux ou encore nécessiter des séances de kinésithérapie respiratoire pour les malades atteints de bronchites chroniques ou de mucoviscidose. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés à la rupture de ponts liquides engendrée par un cycle de respiration ou via un forçage unidirectionnel d’intensité suffisante. En particulier nous avons caractérisé expérimentalement et théoriquement les pressions critiques nécessaires pour rouvrir des voies obstruées. Nous avons aussi étudié les derniers instants de vie d’un pont liquide et mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement différents régimes de rupture. A forte vitesse, cette rupture est obtenue via l’atomisation du liquide, c’est à dire la formation de gouttelettes qui pourraient correspondre aux éjectas lors de la toux. Enfin nous nous sommes intéressés à un problème plus éloigné des poumons mais néanmoins fondamental en microfluidique : la dynamique de ponts liquides sur des surfaces partiellement mouillantes. Nous avons montré qu’au-dessus d’un certain seuil en vitesse, le déplacement d’un simple doigt de liquide à débit constant aboutit à la formation d’un train de bulles et de ponts liquides calibrés. / Obstructive pulmonary disease now affects several million people worldwide. These diseases are manifested by the accumulation of a liquid called mucus in the lungs which, when too large, can lead to the formation of liquid plugs which impede air circulation Pulmonary pathways can nevertheless reopen via the rupture of these liquid plugs. These reopenings may result from the respiratory cycle, more violent outflows caused by the cough mechanism or require respiratory physiotherapy sessions for patients with chronic bronchitis or cystic fibrosis. In this thesis we were interested in the rupture of liquid plugs generated by a breathing cycle or by a unidirectional forcing of sufficient intensity. In particular, we have experimentally and theoretically characterized the critical pressures necessary to reopen obstructed pathways. We also studied the last moments of life of a liquid plug and demonstrated both experimentally and numerically different regimes of rupture. At high velocity, this rupture is obtained via the atomization of the liquid, ie the formation of droplets that could correspond to the ejections during the cough. Finally, we were interested in a problem more distant from lungs but nevertheless fundamental in microfluidics: the dynamics of liquid plugs on partially wet surfaces. We have shown that above a certain velocity threshold, the displacement of a single liquid finger at constant flow results in the formation of a train of calibrated bubbles and liquid plugs.

Το θέμα της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της ροής ύδατος εντός ανοιχτού αγωγού ορθογωνικής διατομής κατά την περίπτωση όπου έχουμε υπερχειλιστή λεπτής στέψης και ανάντη αυτού παρουσιάζεται ανισοκατανεμημένη παροχή. / Flow study in the downstream of one spillway with thin top, inside an rectangular open channel, in cases of uneven supply upstream of spillway.

Dans les secteurs industriels tels que l’industrie chimique, pharmaceutique ou agro-alimentaire une faible aptitude à l’écoulement des poudres est souvent à l’origine du mauvais fonctionnement d’un procédé. Une mauvaise coulabilité peut ainsi entrainer le blocage de poudres dans un silo, des problématiques de dosages et de remplissage ou encore une détérioration de la qualité du produit final. Pour assurer un bon fonctionnement du procédé, il est donc nécessaire et essentiel d’évaluer la coulabilité de poudres utilisées. Pour cela, plusieurs techniques expérimentales telles que les dispositifs de mesure d’angle, les cellules de cisaillement, les dispositifs de tassement de poudre peuvent être utilisées. Des indices de coulabilité sont alors définis permettant de classer les poudres selon la qualité de l’écoulement. Des essais expérimentaux ont été menés sur plusieurs types de poudres et les premiers résultats ont montré que le passage d’une technique d’évaluation à une autre peut modifier, voire inverser le classement de la coulabilité des poudres. En effet, selon les techniques étudiées les poudres sont soumises à des sollicitations mécaniques différentes et donc le choix de la technique doit être adapté au cas réel d’étude. Dans ce travail, nous nous sommes intéressé plus particulièrement au cas de l’évaluation de l’écoulement de poudres à partir de dispositifs de compaction. Le travail réalisé a montré que les paramètres dynamiques (amplitude et fréquence de chocs) influencent énormément le classement de la coulabilité des poudres. A partir d’une approche énergétique, il a été montré qu’une évaluation et quantification de la coulabilité à partir du rapport d’Hausner ne peut être donnée par une technique de compaction que si celle-ci permet d’atteindre une valeur d’énergie nécessaire à l’obtention d’une compaction maximale des particules. Enfin, une étude de mise en œuvre des techniques d’évaluation de la coulabilité a été réalisée dans le domaine de la formulation en s’intéressant à l’évaluation quantitative de l’influence d’un agent d’écoulement / In industrial sectors, such as chemical, pharmaceutical or food industries, poor flowability of powders is often the causes of process malfunction. Poor flowability can lead to the blocking of powders in a silo, dosing and filling problems, or even bad quality on final product. To ensure proper process operation, it is therefore necessary and essential to evaluate the flowability of powders used. For this purpose, several experimental techniques such as angle of repose devices, shear cells or powder packing devices can be used. Flowability indices can then be defined in order to classify the powders according to the flow quality. Experimental tests have been carried out on several types of powders and the first results have shown that the transition from one technique to another can modify or even reverse the classification of the powder flowability. Indeed, according to the techniques studied, powders are subjected to different mechanical stresses and therefore the choice of the technique must be adapted to the real case of study. In this work, we were particularly interested to the evaluation of powders flowability from compaction devices. The work carried out has shown that the dynamic parameters (amplitude and frequency of taps) greatly influence the classification of powders flowability. From an energy approach, it has been shown that the evaluation of the flowability from Hausner ratio can be given by a compaction technique only if it achieves a value of energy required to obtain a maximal compaction of the particles. Finally, an implementation study of flowability evaluation techniques was carried out in the field of formulation by focusing on the quantitative evaluation of the influence of a glidant

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή μιας μονάδας ανεμομέτρου θερμού σύρματος (Hot wire anemometer). Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Θερμοκινητήρων του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη, σχεδιασμός, κατασκευή και δοκιμή μιας μονοκάναλης μονάδας θερμού σύρματος σταθερής θερμοκρασίας (constant temperature anemometer CTA). Η μέθοδος του Hot wire anemometer χρησιμοποιείται για την έμμεση ταχύτητα της ροής, με βάση την συνεχή παρακολούθηση των θερμικών απωλειών γύρω από ένα θερμαινόμενο αισθητήρα. Το αποτέλεσμα δεν είναι μόνο συναρτήσει της ταχύτητας της ροής, αλλά επίσης και ορισμένων άλλων χαρακτηριστικών της ροής. Αρχικά μελετούνται και καταγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την ανεμομετρία θερμού σύρματος. Στη συνέχεια αναπτύσσεται ο ηλεκτρονικός σχεδιασμός του ηλεκτρονικού κυκλώματος CTA. Ενώ αργότερα γίνεται η υλοποίηση του κυκλώματος στο λογισμικό Altium Designer μέσω της οποίας προκύπτει ο σχεδιασμός των πλακετών PCB. Επιπλέον περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή της διάταξης, περιγράφονται τα κυριότερα υποσυστήματα της και εξηγείτε αναλυτικά η αρχή λειτουργίας της. Τέλος γίνεται βαθμονόμηση του κυκλώματος, βαθμονόμηση του αισθητήρα και πιστοποιείται η σωστή λειτουργία της μονάδας λαμβάνοντας μετρήσεις στην έξοδο ενός τρισδιάστατου ακροφυσίου τύπου Boërger. / The present study deals with the design and construction of a "Hot Wire Anemometer" module. The work has been conducted in Thermal Engines Laboratory of the Mechanical Engineering and Aeronautics Department of the University of Patras, under the supervision of Professor Demos P. Georgiou. The purpose of the current study was the design, construction and testing of a single channel, Constant Temperature Hot Wire Anemometer unit (CTA). The Hot-wire anemometry is a method for indirectly measuring fluid flow velocity, based on monitoring the thermal losses in a heated measuring element. The result is a function of not only the flow velocity, but also of certain other flow parameters. Initially, some basic principles regarding the Hot Wire Anemometer are discussed and some aspects concerning the governing equations are also given. Furthermore, the development of the electronic CTA circuit shown, while later, the final circuit is implemented by employing the Altium Designer Software through which the Printed Circuit Boards (PCB) for the construction are finally obtained. After the detailed presentation of the device construction, the main components and subsystems are discussed in depth. In addition, the principle of operation is also explained in detail. Finally, a fine calibration is made for both, the electronic circuit and the sensor probe. The proper operation of the system as a final product is then certified by obtaining aerodynamic measurements at the exit of a three dimensional Boërger type nozzle.

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. / 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.

Στην παρούσα εργασία μελετάται αριθμητικά η ροή σε σήραγγα υπό συνθήκες ελεύθερης επιφάνειας και έντονης κλίσης πυθμένα 1:10. Διερευνάται η δυνατότητα μείωσης της ταχύτητας ροής μέσω κατακόρυφων, πλευρικών στοιχείων τραχύτητας. Συγκεκριμένα γίνεται τρισδιάστατη προσομοίωση της ροής με χρήση του μοντέλου ANSYS – Fluent και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με εκείνα που προέκυψαν από αντίστοιχο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Αφορμή για το συγκεκριμένο σχεδιασμό αποτέλεσε η διερεύνηση της εκτροπής των πλημμυρικών παροχών από ορεινή λεκάνη σε κατάντη ταμιευτήρα μέσω σήραγγας και συγκεκριμένα από το οροπέδιο Λασιθίου στον ταμιευτήρα του φράγματος Αποσελεμή. Με δεδομένα τα ανωτέρω, επιθυμείται να αποφευχθεί η κατασκευή βαθμίδων ή στοιχείων τραχύτητας στον πυθμένα και, επομένως, απαιτείται η μόρφωση «πτυχώσεων» στα τοιχώματα έτσι ώστε να αναπτυχθεί δευτερογενής ροή και με εισρόφηση αέρα. Η αποτελεσματικότητα του σχεδιασμού διερευνήθηκε σε υδραυλικό ομοίωμα κλίμακας 1:12.5 που βασίσθηκε σε συνθήκες δυναμικής ομοιότητας κατά Froude για χαρακτηριστικές τιμές παροχής. Η επεξεργασία των μετρήσεων έδειξε ότι με κατάλληλη διάταξη πλευρικών στοιχείων τραχύτητας ελέγχεται η τιμή της ταχύτητας και ικανοποιείται η απαίτηση μεγίστου βάθους ροής σε σχέση με τις διαστάσεις της σήραγγας. Για την υπολογιστική επίλυση του προβλήματος αξιοποιήθηκαν οι εξισώσεις Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), ενώ για το κλείσιμο της τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο δυο εξισώσεων k-ω, το οποίο επεξηγείται αναλυτικά. Η διαχείριση της ελεύθερης επιφάνειας έγινε με τη μέθοδο Volume of Fluid (VOF), ενώ η αριθμητική επίλυση βασίστηκε στη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων και πραγματοποιήθηκε με το υπολογιστικό πακέτο Fluent CFD της ANSYS inc. Για την ροή στον υπό εξέταση αγωγό η ροή είναι υπερκρίσιμη με κλίση πυθμένα S_0=0.10. Για λόγους ελέγχου της ακρίβειας της αριθμητικής μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε, αρχικά επιλύθηκε η περίπτωση τρισδιάστατου καναλιού ορθογωνικής διατομής χωρίς πλευρικά στοιχεία τραχύτητας και τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με αναλυτικά αποτελέσματα μονοδιάστατης ροής (κατακόρυφο επίπεδο) υπεράνω επίπεδου πυθμένα. Τα αποτελέσματα βρέθηκαν σε καλή συμφωνία μεταξύ τους, γεγονός που επιβεβαίωσε την καταλληλότητα της μεθόδου. Για το τρισδιάστατο πρόβλημα με τα κατακόρυφα πλευρικά στοιχεία τραχύτητας, η ανάλυση έδειξε ότι το διάμηκες προφίλ της ελεύθερης επιφάνειας παρουσιάζει κυματισμούς σε όλη την περιοχή των στοιχείων τραχύτητας. Το βάθος ροής κατέρχεται σταδιακά από το αρχικό κρίσιμο βάθος μέχρι να φθάσει στο επίπεδο του βάθους των 0.06 m, το οποίο δεν είναι το ομοιόμορφο βάθος αφού η ροή συνεχίζει να επιταχύνεται. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε η δημιουργία μιας περιοχής ανακυκλοφορίας της ροής ανάμεσα στα πλευρικά στοιχεία τραχύτητας. Τα αποτελέσματα που πρόεκυψαν από το αριθμητικό μοντέλο συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα και η συμφωνία μεταξύ αριθμητικών προβλέψεων και πειραματικών δεδομένων είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική. / A three-dimensional CFD numerical model has been utilized to simulate the 3D free-surface flow under supercritical flow conditions in a 10% sloping channel over vertical roughness elements on the side walls. The effectiveness of vertical roughness elements on the side walls is investigated, with the aim to reduce flow velocity in the tunnel. The program, ANSYS Fluent, solves the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations on an unstructured five-hedral grid using PISO method and the flow is treated as steady while the k-omega model is used as turbulence model. The numerical simulation has been based on the Volume of Fluid method (VOF) approach. Available experimental measurements of the free-surface in a sloping channel, under various supercritical flow regimes, have been used to validate the proposal numerical methodology. These experiments were conducted at the Hydraulic Engineering Laboratory of the Civil Engineering Department, University of Patras. In all test cases the 3D numerical model gives reasonable comparisons with measurements for the water depth.

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