Academic literature on the topic 'Écoulement (hydrologie) – Vitesse – Modèles mathématiques'

Les mesures permanentes en réseau d'assainissement se développent, mais des problèmes de conception des points de mesure et d'interprétation des données qui en sont issues restent non résolus. Une difficulté concerne l'échantillonnage spatial de la section transversale d'un écoulement : les capteurs de vitesses et préleveurs n'échantillonnent qu'une partie d'une section et cela se répercute sur la précision des mesures des flux polluants. On a donc cherché à appréhender la répartition des vitesses et des concentrations dans une section soumise à des sollicitations hydrauliques connues, pour vérifier la représentativité des capteurs qui peuvent y être implantés. Un protocole permettant de qualifier des sections de mesure, et de définir le traitement à appliquer aux mesures brutes pour mieux estimer les mesurandes est proposé. Ce protocole est basé sur l'utilisation d'un code de calcul, paramétré à partir des résultats relevés sur le terrain, réalisés à l'aide de matériels spécifiques.

L'évolution du débit d'une rivière présente généralement des épisodes de crues intenses, au cours desquels le débit augmente rapidement, suivis par une diminution lente du débit lorsque la pluie s'arrête. Dans ce manuscrit, nous montrons que l'écoulement souterrain dans un aquifère non confiné permet de comprendre cette dynamique. Dans le cadre de l'approximation de Dupuit-Boussinesq (eau peu profonde), la vitesse de montée de crue ˙Q est une fonction non-linéaire du taux de précipitations R : ˙Q ∝ R 3/2. Après la pluie, on distingue deux régimes asymptotiques de décrue. Au début de la décrue, le débit décroît proportionnellement à l'inverse de la racine du temps ( Q ∝ 1/ √ t (Polubarinova-Kochina, 1962)). En fin de décrue, le débit décroît comme l'inverse du temps au carré (Q ∝ 1/t 2(Boussinesq, 1903)). L'étude d'un aquifère de laboratoire soumis à une pluie artificielle confirme l'existence de ces régimes asymptotiques. Ce dispositif expérimental simplifié (aquifère homogène et bidimensionnel) génère des montées de crue réalistes, en l'absence de ruissellement. L'instrumentation d'un site de terrain dans le bassin versant de la Ravine Quiock, sur l'île de Basse-Terre en Guadeloupe, révèle un comportement similaire. La surface de la nappe et le débit de la rivière évoluent simultanément pendant la pluie et se conforment aux prédictions théoriques. Comme dans l'expérience de laboratoire, cet aquifère réagit donc non-linéairement au forçage induit par les précipitations. L'analyse de données acquises dans trois autres bassins versants (Plynlimon, Pays de Galles, et Laval, France) confirme le caractère non-linéaire de la réponse d'un aquifère à la pluie : ˙Q ∝ Rn, avec n &gt; 1. Cependant, l'exposant obtenu est différent de 3/2. Une expérience préliminaire en laboratoire suggère que cet écart à la théorie de Dupuit-Boussinesq pourrait être induit par l'écoulement vertical dans l'aquifère<br>River hydrographs generally exhibit intense flood events during which the discharge increases quickly during rainfall, anc decreases slowly afterwards. In this manuscript, we show that the dynamics of groundwater in an unconfined aquifer can account for these features. In the frame of the Dupuit-Boussinesq (shallow-water) approximation, the discharge increase rate ˙Q is a non-linear fonction of the rainfall rate R : ˙Q ∝ R 3/2. After the rain, two consecutive asymptotic regimes compose the drought flow. During the early drought flow, the discharge decreases as the inverse square root of time ( Q ∝ 1/ √ t(Polubarinova-Kochina (1962)). Later, the discharge decreases as the inverse square of time (Q ∝ 1/t 2(Boussinesq, 1903)). A laboratory aquifer (homogeneous and bidimensional) submitted to artificial rainfall confirms the existence of these asymptotic regimes. This simplified experimental setup generates a realistic flood signal, in the absence of surface runoff. Field observation in the catchment of the Quiock Creek, Guadeloiipe reveals a similar behaviour. The water table and the river discharge evolve simultaneously during rainfall, and conform to theory. Like in our laboratory experiment, this aquifer reacts non-linearly to forcing by rainfall. The river discharge from three other catchments (Plynlimon, Wales and Laval, France) confirms this non-linear reaction : ˙Q ∝ R n , with n &gt; 1. The exponent, however, is different from 3/2. A preliminary laboratory experiment suggests that this breakdown of the Dupuit-Boussinesq theory is due to vertical groundwater flow

Cette thèse vise à explorer la question du changement d'échelle temporelle en modélisation hydrologique conceptuelle. Les principaux objectifs sont : (i) étudier les effets du changement du pas de temps sur les performances, les paramètres et la structure des modèles hydrologiques ; (ii) mettre au point un modèle pluie-débit applicable à différents pas de temps. Notre point de départ est le modèle global journalier GR4J, développé à Irstea. Ce modèle a été choisi comme le modèle de référence à adapter à d'autres résolutions plus fines, jusqu'à des pas de temps infra-horaires, en suivant une approche descendante. Pour nos tests, nous avons construit une base de données de 240 bassins versants non influencés en France, à différents pas de temps allant de 6 minutes à 1 jour, en utilisant: (i) les données pluviométriques à 6 minutes et la réanalyse des lames d'eau journalières à plus haute résolution spatiale ; (ii) les données de température journalière pour le calcul de l'évapotranspiration potentielle ; (iii) les données hydrométriques à pas de temps variable. Nous avons étudié l'impact de la distribution temporelle des entrées sur les performances du modèle en se focalisant sur la simulation de crue, sur la base de 2400 événements. Ensuite, notre évaluation du modèle a porté sur l'analyse de la cohérence des flux internes du modèle à différents pas de temps, afin d'assurer une performance satisfaisante à travers un fonctionnement du modèle cohérent. Notre diagnostic du modèle nous a permis d'identifier une amélioration de la structure du modèle à différents pas de temps infra-journaliers basée sur la complexification de la composante d'interception du modèle<br>This thesis aims at exploring the question of temporal scaling in lumped conceptual hydrological modelling. The main objectives of the thesis are to: (i) study the effects of varying the modelling time step on the performance, parameters and structure of hydrological models; (ii) develop a hydrological model operating at different time steps, from daily to sub-hourly, through a unified, robust and coherent modelling framework at different time scales. Our starting point is the chain of conceptual rainfall-runoff models called ‘GR’, developed at Irstea, and in particular the daily ‘GR4J’ lumped model. The GR4J model will be the baseline model to be effectively downscaled up to sub-hourly time steps following a top-down approach. An hourly adaptation of this model had already been proposed in previous research studies, but some questions on the optimality of the structure at sub-daily time steps were still open. This thesis builds on these previous studies on the hourly model and responds to the operational expectations of improving and adapting the model at multiple sub-daily and sub-hourly time steps, which is particularly interesting for flood forecasting applications. For our modelling tests, we built a database of 240 unregulated catchments in metropolitan France, at multiple time steps, from 6-minute to 1 day, using fine time step hydro-climatic datasets available: (i) 6-min rain gauges and higher spatial-density daily reanalysis data for precipitation; (ii) daily temperature data for potential evapotranspiration (making assumptions on sub-daily patterns); (iii) sub-hourly variable time step streamflow data. We investigated the impact of the inputs temporal distribution on model outputs and performance in a flood simulation perspective based on 2400 selected flood events. Then our model evaluation focused on the consistency of model internal fluxes at different time steps, in order to ensure obtaining a satisfactory model performance by a coherent model functioning at multiple time steps. Our model diagnosis led us to identify and test a significant improvement of the model structure at sub-daily time steps based on the complexification of the interception component of the model. Thus, we propose a new version of the model at multiple sub-daily time steps, with the addition of an interception store without extra free parameters. Our tests also confirm the suitability at multiple time steps of a modified groundwater exchange function proposed earlier, leading to overall improved model accuracy and coherence

Cette recherche concerne l'analyse physique et la modelisation des ecoulements diphasiques disperses. L'objectif general etait de definir et de tester un modele a deux fluides en vue de la predetermination d'ecoulements diphasiques en situations complexes. L'ecoulement eau-air a bulles, dans un elargissement brusque vertical a constitue le cas de base etudie. L'installation experimentale concue pour mener cette etude, comprend une conduite cylindrique verticale d'environ 14 m de hauteur avec un changement brusque de section de rapport 0,5, situe a 9 m de l'injection. L'utilisation de l'anemometrie a film chaud, apres mise au point du traitement adapte du signal diphasique, nous a permis d'acceder au champ cinematique moyen et aux composantes du tenseur de reynolds de la phase continue. La distribution locale du taux de presence du gaz est obtenue au moyen d'une sonde a fibre optique. A partir des mesures de champ cinematique moyen et fluctuant et des equations de bilan, on a determine les forces interfaciales moyennes telles qu'elles apparaissent dans les modeles a 2 fluides. Le role important des termes non lineaires lies aux champs fluctuants des deux phases est ainsi mis en evidence et on montre qu'une bonne predetermination de la distribution du taux de vide et de la turbulence exige de prendre en compte l'influence de ces termes. Ces conclusions sont confirmees par une etude theorique et numerique qui s'appuie sur l'utilisation du code de calcul a deux fluides melodif developpe au laboratoire national d'hydraulique. Une analyse theorique sur la formulation des termes interfaciaux a ete developpee en portant une attention particuliere a la modelisation des composantes non lineaires turbulentes, les modifications apportees concernent l'effet de la force de pression et de la dispersion des inclusions. Dans cette nouvelle version, la code melodif s'avere beaucoup plus performant pour la predetermination du taux de vide

Le chenal à haut rendement algal (CHRA) est l'un des moyens les plus appropriés pour la production de biomasse algale. Cette étude s'intéresse à l'effet de l'hydrodynamique d'un CHRA à l'échelle pilote afin d’y optimiser le mélange. La mécanique des fluides numérique a fait ses preuves en offrant la possibilité de comprendre et d'optimiser des paramètres hydrodynamiques complexes qui sont généralement considérés comme des facteurs décisifs du degré de mélange. Dans cette étude, deux approches alternatives de modélisation CFD, les méthodes vitesse d’entrée et maillage dynamique, sont utilisées pour simuler l'hydrodynamique du bassin. Les données de champs vitesse et de traçage expérimentales sont utilisées pour valider et comparer les performances de ces approches. Les profils de vitesse horizontaux sur la profondeur à trois positions présentent une meilleure concordance avec les valeurs expérimentales avec la méthode maillage dynamique que la méthode vitesse d’entrée. D'autre part, avec la diffusion turbulente incluse dans la méthode vitesse d’entrée, on constate une bonne concordance entre les valeurs simulées et expérimentales du traceur dans un temps de simulation beaucoup plus court qu’avec l'approche du maillage dynamique. Le temps de calcul pour le maillage dynamique est extrêmement long sans qu'il y ait un avantage équivalent dans le résultat de la simulation du traceur par rapport à la méthode de la vitesse d'entrée, dans cette configuration particulière du modèle. Pour améliorer la prédiction de la vitesse à partir de la méthode de la vitesse d'entrée, le profil de vitesse expérimental de la mesure ADV a été appliqué sur la condition aux limites d’entrée du modèle. Une modification simple a également été apportée à la géométrie du bassin pour démontrer l'effet du déflecteur sur les conditions de mélange et la consommation d'énergie. La mise en place de déflecteurs pourrait rendre la distribution des vitesses uniforme, ce qui minimiserait la consommation d'énergie et réduirait les zones mortes<br>In a well-mixed condition, High Rate Algal Pond (HRAP) is one of the most appropriate ways for algal biomass production. This study is interested in the effect of the hydrodynamics inside a lab-scale HRAP that plays an important role to realize proper mixing. Computational Fluid Dynamics has proven itself to offer the possibilities of understanding and optimizing complex hydrodynamic parameters that are commonly considered as decisive factors to the degree of mixing. In this study, two alternative CFD modeling approaches, Inlet Velocity and Dynamic Mesh methods, are used to simulate the pond hydrodynamics. Measured velocity and tracer data are used to validate and compare the performance of these approaches. Horizontal velocity profiles across the depth of flow at three locations display higher agreement with the experimental values in the Dynamic Mesh method than the Inlet Velocity method. On the other hand, with turbulence diffusion included in the Inlet velocity method, good agreement is found between simulated and experimental tracer values in fairly short simulation time than in the Dynamic Mesh approach. The computational time for Dynamic Mesh is extremely exaggerated without an equivalent advantage in the tracer simulation result over the Inlet Velocity method in this particular model setup. To enhance the velocity prediction from Inlet Velocity method, velocity profile from ADV measurement has been applied on the inlet patch of the model and better fitting curves are observed in this case. Simple modification has also been made on the geometry of the pond to demonstrate the effect of the flow deflector on mixing condition and power consumption. The provision of deflectors could make the velocity distribution uniform thereby minimizing power consumption and reducing the dead zones

Une solution analytique du bilan en debit des ecoulements en irrigation de surface met en relation une loi de vitesse d'avancement en double exponentielle pour une loi d'infiltration de horton. L'analyse des donnees de terrain conduit a une remise en cause des hypotheses habituellement prises dans les modeles d'irrigation de surface. Le modele alive permet de mieux integrer la variation de debit, de section et d'infiltration

Les voiries urbaines produisent des débits importants à cause du ruissellement de l’eau en surface. La présence de ce ruissellement fort pose des problèmes environnementaux et la présence d’eau en surface, des problèmes de sécurité routière. L’objectif de ce travail est d’étudier la formation du ruissellement sur les voiries. Pour cela le ruissellement est étudié en relation avec les autres termes qui composent le bilan hydrique d’une voirie. Une première partie expérimentale effectuée sur des plaques d’enrobé de voirie (surface de 0,5 m²) montre que les pertes au ruissellement sont principalement constituées par le stockage d’eau à la surface et à l’intérieur de l’enrobé au cours de l’événement pluvieux. Puis l’eau stockée est ensuite évaporée. Afin de mieux comprendre l’évaporation, une expérience de comparaison de différentes méthodes d’estimation de l’évaporation est réalisée au-dessus d’un parking (surface de 2500 m²). Cette expérience a mis en avant la difficulté d’une telle mesure pour ce type de surface. L’étude de deux tronçons de voirie (surfaces de 477 et 311 m²), suivis pendant 38 mois au LCPC-Nantes, montre que les coefficients de ruissellement sont variables et que les pertes au ruissellement sont non négligeables (entre 30 et 40 % de la pluie selon le tronçon). Un modèle simple de pertes au ruissellement construit à partir de pertes initiales et continues ne permet pas de reproduire de façon satisfaisante le coefficient de ruissellement. Enfin pour compléter ces observations expérimentales, un modèle à base physique est utilisé. Ce modèle associe un module d’écoulement en milieu poreux et un module de ruissellement. Le transfert du ruissellement dans le caniveau est simulé par le modèle de Muskingum. Ce modèle est appliqué aux tronçons de voiries étudiés expérimentalement. Une étude de sensibilité du modèle montre l’influence de la conductivité hydraulique à saturation et de la capacité de stockage de l’enrobé<br>Urban roads produce important flow because of water runoff. This significant runoff involves environmental problems and water on road surface involves problems of safety road. The objective of this work is to study the formation of the runoff on the roads. So the runoff is studied in relation to the other terms constitutive of the water budget on a road. A first experimental part carried out on bituminous plates of road (area of 0. 5 m²) shows that the runoff losses are mainly composed by storage of water on the surface and inside the bituminous plate during the event. Then the intercepted water is evaporated. In order to better understand evaporation, an experimental comparison of different methods of evaporation estimation is carried out above a carpark (area of 2500 m²). This experiment put ahead the difficulty of such measurement for this kind of surface. The study of two roads stretches (area of 477 and 311 m²), instrumented during 38 months on the LCPC-Nantes, shows that runoff coefficients are variable and that runoff losses are considerable (between 30 and 40 % of the rain according to the stretch). A simple model of losses built from initial and continuous losses cannot reproduce correctly runoff coefficients. Finally to supplement these experimental observations, a physical based model is applied. This model associate a module of flow in porous media and a runoff module. The runoff transfer in the gutter is simulated by the Muskingum’s model. This model is applied to experimental studied roads stretches. A sensitivity analysis shows the influence of saturated hydraulic conductivity and of storage capacity of the bituminous

La distribution verticale de la concentration des sédiments en suspension joue un rôle majeur dans l’étude du taux et la capacité de transport d’une rivière. Il existe, dans la bibliographie, plusieurs modèles de distribution des vitesses et des concentrations dont les conditions d’utilisation sont souvent ambigües. Vue la difficulté des mesures sur terrain, il est nécessaire d’utiliser et de savoir choisir un profil numérique. Le but de cette thèse est de concevoir de nouveaux outils pour étudier la distribution verticale des vitesses et des concentrations. Dans ce contexte, nous présentons deux nouveaux coefficients de diffusivités obtenus par l’introduction d’opérateurs de corrections au profil parabolique. Ces deux modèles donnent en utilisant l’équation de convection diffusion et le principe de Boussinesq deux profils analytiques de concentration et de vitesse. Aussi nous mettons au point une méthode qui permet de faire le choix entre les différents modèles mathématiques représentants le même phénomène physique et deux méthodes pour l’intersection des profils et pour l’extension des profils dans les cas où le modèle applicable n’est pas unique ou n’existe pas. Ensuite, nous appliquons cette méthode à l’étude des profils verticaux de vitesse et des distributions de la concentration des sédiments en suspension en régime stationnaire et uniforme, et nous développons le code expert pour la distribution verticale des concentrations, code_ERESA. Dans une annexe, nous testons l’utilisation du code de volumes finies code_Saturne pour l’étude de la distribution verticale des vitesses et des concentrations des sédiments en suspension dans les écoulements de surface<br>The vertical distribution of suspended sediment concentration and velocity plays a major role in the study of the transport rate and the transport capacities of a river. Many suspended sediments concentration and velocity profiles exist in the literature, having ambiguous conditions of application. In addition, it is not easy to conduct in – situ measurements. This reveals, not only the utility of using numerical profiles, but also the responsibility of choosing an optimal one. The present thesis aims to conceive new tools for studying the vertical velocity and concentration distribution. In this context, we present two new sediment diffusivity coefficients obtained by the introduction of correction operator on the parabolic diffusivity coefficient. These models are implemented in the convection diffusion equation to generate two analytical concentration profiles and using the Boussinesq assumption, they lead to two analytical velocity profiles. Also, we conceive a method for choosing between different mathematical representation of a same physical phenomenon, and two methods for the intersection between these representations when more than one is applicable and for the extension of the representations to the cases where no model is applicable. We apply this method on the study of the vertical velocity profile and the sediment distribution in steady and uniform sediment laden open channel flows, and we develop the expert system for the vertical sediment concentration distribution code_ERESA. In an appendix, we test the use of the finite volume code_Saturne for the study of the vertical velocity distribution and suspended sediment concentration in open channel flows

Nous présentons les résultats de travaux expérimentaux et de modélisation relatifs à des écoulements à surface libre sur un fond présentant un gradient transversal de rugosité, qui, en liaison, avec l'anisotropie de la turbulence est à l'origine d'écoulements secondaires. Au moyen d'un anémomètre Laser Doppler on a déterminé l'évolution transversale des champs de vitesse moyenne et des composantes du tenseur de Reynolds et on en a déduit la distribution transversale du frottement pariétal, de la position de l'origine de la loi logarithmique et de la fonction de la rugosité. L'interprétation de l'évolution des profils verticaux des fluctuations longitudinales et verticales s'appuie sur des solutions analytiques. Elles reposent sur un modèle algébrique des contraintes de Reynolds et sont établies dans la zone de paroi ou près de la surface libre. Des simulations numériques d'écoulements parallèles et non parallèles sont ensuite commentées. Les premiers résultats sont encourageants même si des améliorations doivent être apportées pour mieux rendre compte des interactions près de la surface libre et de la paroi latérale<br>We present new experimental results and, as well analytical as numerical modelling of free surface flows developing on a bottom with transverse gradient of roughness. This gradient, with the anisotropy of turbulence, is at the origin of secondary flows. We determined the transverse evolution of the mean velocity and of the Reynolds tensor components, using a laser Doppler anemometer. Then we obtained the transverse distribution of the wall shear stress, the origin of the logarithmic law and the roughness function. The interpretation of the evolution of the vertical profiles of longitudinal and vertical fluctuations is based on analytical solutions obtained from an algebraic stress model. These solutions are established in the wall zone or in the vicinity of the free surface. Numerical simulations of parallel and non-parallel flows are then discussed. The first results are promising although improvements could be introduced in order to better take into account the interactions close to the free surface and the side-wall