Flow modelling in a compound channel is a complex matter. Indeed, due to the smaller
velocities in the floodplains than in the main channel, shear layers develop at the
interfaces between these subsections, and the channel conveyance is affected by a
momentum transfer corresponding to this shear layer, but also to possible geometrical
changes in a non-prismatic reach.
In this work, a one-dimensional approach, the Exchange Discharge Model (EDM), is
proposed for such flows. The EDM accounts for the momentum transfer between
channel subsections, estimated as proportional to the velocity gradient and to the
discharges exchanged through the interface; where two main processes are identified :
(1) the turbulent exchange, due to the shear-layer development; and (2) the geometrical
transfer, due to cross-sectional changes. The EDM is successfully validated for
discharge prediction, but also for water-profile computation, through comparison with
existing laboratory and field measurements.
The momentum transfer due to turbulent exchanges is then studied experimentally,
theoretically and numerically. At first, new experimental data, obtained by using
Particle Tracking Velocimetry techniques, are presented : the periodical vortex
structures that develop in the shear layer are clearly identified and characterised.
Secondly, a hydrodynamic linear stability analysis enables to predict quite successfully
the wave length of some observed vortices. Lastly, an Unsteady-RANS numerical
method is used to simulate the perturbation development. The estimated vortex wave
lengths agree again with the measurements and the theoretical predictions, although
vortices merging occurs in the simulation results, which was actually not observed
experimentally. The velocity-profile prediction is found improved when the effect of
vortices is considered, thanks to the corresponding additional shearing.
The geometrical transfer is also investigated experimentally and numerically. Novel
experiments are designed, with the measurements of the flow in a compound channel
with symmetrically narrowing floodplains. The mass transfer and the evolution of the
flow distribution along the channel length are clearly observed. A significant additional
head loss due to this transfer is measured, in accordance with the EDM hypothesis.
Measured water profiles are finally compared successfully with the EDM predictions.
In addition to the EDM development and validation, the so-called Lateral Distribution
Method (LDM) is also investigated and the significance of the secondary-currents
models proposed by previous authors for this method is discussed. When considering
the velocity-profile prediction, the effect of these helical secondary currents is again
clearly highlighted, by using dispersion terms in the Saint-Venant equations. However,
the actual physical meaning of the related dispersion coefficients remains uncertain. In
addition, an extended LDM is also proposed and discussed for non-prismatic flow
modelling, using the new narrowing-channel data set./La modélisation des écoulements dans les rivières à plaines inondables est
particulièrement complexe. En effet, la vitesse de l'eau étant plus faible sur la plaine
d'inondation que dans le lit mineur, une couche de cisaillement se développe à
l'interface entre ces sous-sections. La débitance totale de la rivière est dés lors réduite, à
cause du transfert de quantité de mouvement qu'occasionne la présence de la couche de
cisaillement, mais aussi de part les changements de géométrie qui peuvent se produire
dans un lit non-prismatique.
La présente thèse propose, pour la représentation de tels écoulements, une nouvelle
approche uni-dimensionnelle dénommée Modèle des Débits d'Echange ("Exchange
Discharge Model" – EDM). Le transfert de quantité de mouvement entre les soussections
de la rivière est pris en compte par l'EDM comme étant proportionnel au
gradient de vitesse entre celles-ci et aux débits échangés à travers leur interface. A cette
interface, deux phénomènes sont essentiellement présents : (1) un échange turbulent, dû
au développement de la couche de cisaillement; et (2) un transfert géométrique,
correspondant aux changements de section. L'EDM est validé avec succès pour la
prédiction du débit et pour le calcul de lignes d'eau, par comparaison avec des données
existantes de laboratoire et de terrain.
Le transfert de quantité de mouvement dû à l'échange turbulent est ensuite étudié
expérimentalement, théoriquement et numériquement. De nouvelles mesures sont
obtenues, au moyen d'une technique de vélocimétrie par suivi de particules. Les
structures périodiques qui se développent dans la couche de cisaillement sont clairement
identifiées et caractérisées. Deuxièmement, une analyse linéaire de stabilité
hydrodynamique permet de prédire théoriquement les longueurs d'onde de quelques
tourbillons qui ont été observés expérimentalement, et ce avec succès. Enfin, un modèle
numérique, de type "Unsteady-RANS", est utilisé pour simuler la croissance des
tourbillons dans la couche de cisaillement. Encore une fois, les longueurs d'onde obtenues correspondent relativement bien avec les valeurs mesurées et prédites
théoriquement; bien que les coalescences de tourbillons qui se produisent
numériquement n'aient pas été observées expérimentalement. La prédiction des profils
de vitesse est améliorée, lorsque l'effet des tourbillons est considéré, grâce à la
contrainte de cisaillement additionnelle que ceux-ci génèrent.
Les transferts géométriques sont également explorés expérimentalement et
numériquement. Une nouvelle campagne expérimentale a été réalisée, en considérant
l'écoulement dans un lit composé symétrique, dont les plaines d'inondation se
rétrécissent progressivement. Le transfert de masse entre sous-sections et la
redistribution des débits qui lui est associée sont clairement observés au long du canal.
Une importante perte de charge additionnelle due à ce transfert est mesurée, en
concordance avec les hypothèses de l'EDM. Finalement, les lignes d'eau mesurées sont
reproduites avec succès par un calcul utilisant l'EDM.
En complément au développement et à la validation de l'EDM, la "Lateral Distribution
Method" (LDM) est également utilisée, avec pour objectif la clarification du rôle des
termes de courants secondaires proposés par différents auteurs. Par rapport à la
prédiction du profil de vitesse, l'effet de ces courants secondaires est très marqué. Il est
ici reproduit en utilisant des termes de dispersion dans les équations de Saint-Venant.
Cependant, le sens physique des valeurs des coefficients de dispersion qui doivent être
utilisés est discutable. Par ailleurs, une LDM étendue, pour les écoulement en lits nonprismatiques,
est proposée et commentée, en utilisant le nouveau jeu de données pour le
canal convergent.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:BICfB/oai:ucl.ac.be:ETDUCL:BelnUcetd-05172005-120209 |
| Date | 12 February 2002 |
| Creators | Bousmar, Didier |
| Publisher | Universite catholique de Louvain |
| Source Sets | Bibliothèque interuniversitaire de la Communauté française de Belgique |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | text |
| Format | application/pdf |
| Source | http://edoc.bib.ucl.ac.be:81/ETD-db/collection/available/BelnUcetd-05172005-120209/ |
| Rights | unrestricted, J'accepte que le texte de la thèse (ci-après l'oeuvre), sous réserve des parties couvertes par la confidentialité, soit publié dans le recueil électronique des thèses UCL. A cette fin, je donne licence à l'UCL : - le droit de fixer et de reproduire l'oeuvre sur support électronique : logiciel ETD/db - le droit de communiquer l'oeuvre au public Cette licence, gratuite et non exclusive, est valable pour toute la durée de la propriété littéraire et artistique, y compris ses éventuelles prolongations, et pour le monde entier. Je conserve tous les autres droits pour la reproduction et la communication de la thèse, ainsi que le droit de l'utiliser dans de futurs travaux. Je certifie avoir obtenu, conformément à la législation sur le droit d'auteur et aux exigences du droit à l'image, toutes les autorisations nécessaires à la reproduction dans ma thèse d'images, de textes, et/ou de toute oeuvre protégés par le droit d'auteur, et avoir obtenu les autorisations nécessaires à leur communication à des tiers. Au cas où un tiers est titulaire d'un droit de propriété intellectuelle sur tout ou partie de ma thèse, je certifie avoir obtenu son autorisation écrite pour l'exercice des droits mentionnés ci-dessus. |
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