Dissertations / Theses: 'Écoulements surface libre'

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Ata, Riadh. "Écoulements à surface libre avec la méthode SPH." Mémoire, École de technologie supérieure, 2002. http://espace.etsmtl.ca/821/1/ATA_Riadh.pdf.

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Abstract:

La méthode SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics) est une méthode purement Lagrangienne qui a été utilisée depuis 1977 dans la simulation des problèmes astrophysiques et les chocs à grandes vitesses. Dans le présent travail, une adaptation de cette méthode aux écoulements à surfaces libres est présentée. Comme première étape, le problème de bris de barrage en mono-dimensionnel est simulé. Cette étape nous a servi à évaluer et se familiariser avec la méthode SPH. Les résultats obtenus ont été validés et comparés avec la solution analytique ainsi qu'avec les résultats déjà publiés dans la littérature. La deuxième partie de ce mémoire a été consacrée aux cas bidimensionnels. Le problème de bris de barrage dans diverses configurations a été simulé. Les résultats obtenus dépendent directement de chaque cas traité. Pour le cas d'un barrage standard ainsi que le barrage circulaire, les résultats sont très encourageants. En ce qui concerne le cas d'un barrage avec étranglement, le résultat est oscillant. Ces résultats ont été obtenus avec l'approche standard de la méthode SPH. De plus, une nouvelle forumlation basée sur une combinaison EF-SPH a été introduite et testée. Les résultats obtenus sont meilleurs que celle donnés par la formulation standard. Cette amélioration n'est palpable que dans les premiers instants de la simulation. Durant les derniers instants des simulations, un manque de particules à l'emplacement du barrage, cause une concordance moins bonne des courbes trouvées avec celles fournies par la méthode des volumes finis. Le succès de la méthode SPH dans sa version standard ainsi que dans sa nouvelle version combinée EF-SPH, dépendent de plusieurs facteurs. Des études supplémentaires sont par conséquent suggérées pour standardiser les paramètres qui interviennent dans ces formulations.

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Bouttes, François. "Simulation numérique des écoulements à surface libre avec turbulence." Compiègne, 1994. http://www.theses.fr/1994COMPD715.

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Abstract:

La méthode des éléments finis (M. E. F. ) a été appliquée avec succès pour représenter l'hydrodynamique à surface libre, mais avec une modélisation de la turbulence très simplifiée. Ce travail a pour but de simuler, à l'aide de la M. E. F. , des écoulements à surface libre avec des représentations de la turbulence plus complexes. Il commence par une présentation générale des modèles de turbulence. Nous avons choisi d'utiliser plus particulièrement deux types de modèle : - le modèle k-e, - des modèles aux longueurs de mélange développés à partir de la simplification du modèle précédent. Une simplification supplémentaire est effectuée en bidimensionnalisant les modèles. Un travail de ce type a déjà été effectué par RODI et al pour le modèle k-e. Nous l'avons complété pour les modèles aux longueurs de mélange. Dans le cas où les courbures de l'écoulement horizontal sont importantes, nous proposons des variantes des deux types de modèle précédents et par ailleurs, une modification des frottements de fond intervenant dans l'équation de l'écoulement (SAINT-VENANT). Cette dernière est notamment importante pour les études sédimentologiques. La méthode de résolution des équations du modèle k-e utilisée dans cette thèse est la méthode des éléments finis ; il s'agit alors de résoudre un système non linéaire complexe ; dans ce travail, nous avons fait un choix d'interpolation particulier et testé plusieurs méthodes de résolution. Le couplage avec le modèle hydrodynamique est effectué par un algorithme explicite. Sont présentés plusieurs critères pour contrôler la convergence du modèle k-e. Nous terminons par une validation des modèles de turbulence utilisés sur de nombreux exemples. Sur ces derniers, nous avons vérifié les méthodes employées pour résoudre les équations du modèle k-e.

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Quemar, Pierrick. "Modélisation et analyse numérique des écoulements à surface libre." Thesis, Paris 13, 2019. http://www.theses.fr/2019PA131022.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution numérique des équations tridimensionnelles de Navier–Stokes à surface libre, écrites sous formalisme ALE, par la méthode des éléments finis. Ces équations permettent la représentation d’écoulements environnementaux. L’objectif initial et principal porte sur une analyse précise des limitations existantes des méthodes numériques et de possibles voies d’amélioration, mathématiquement justifiées, afin de réviser et d’améliorer le cœur numérique du code hydrodynamique Telemac-3D, développé par le Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement d’EDF R&D. Nous décrivons ainsi précisément l’algorithme de ce dernier et nous l’évaluons à l’aune des publications les plus récentes. Ainsi, au sein de ce logiciel,les équations de Navier–Stokes à surface libre dans lesquelles la pression a été décomposée en une partie hydrostatique et une partie non-hydrostatique sont résolues. Une des limitations majeures concerne le fait que la vitesse calculée ne satisfait pas l’équation de continuité. De plus, nous avons relevé l’existence d’une restriction sur le pas de temps.Des voies alternatives sont explorées, et un algorithme très différent est analysé et programmé à des fins de comparaison. La stratégie numérique consiste à convecter la surface libre, à mettre à jour le domaine et à résoudre ensuite les équations de Navier–Stokes.Considérant cette approche, nous analysons un schéma éléments finis explicite d’ordre 1 en temps avec un terme de stabilisation symétrique pour l’équation cinématique de surface libre. Nous montrons que ce schéma permet de satisfaire deux propriétés importantes: la conservation globale de la masse d’eau et la divergence nulle faible. De plus, nous démontrons la stabilité conditionnelle de l’algorithme et nous proposons une nouvelle formulation variationnelle associée aux équations de Navier–Stokes permettant d’aboutir à un schéma éléments finis semi-implicite en temps, qui est stable indépendamment de la vitesse du domaine et d’une vitesse de convection à divergence nulle exacte.Finalement, certains modèles simplifiés utilisés dans d’autres logiciels développés par EDF R&D, notamment le modèle asymptotique en fréquence de Berkhoff utilisé au sein du logiciel Artemis [51], sont également étudiés afin d’acquérir une vue d’ensemble du domaine.L’équation de Berkhoff est dérivée asymptotiquement des équations de la houle linéaire.Une étude systématique de la dérivation de différents modèles simplifiés (Berkhoff, Shallowwater linéaire, Helmholtz) à partir des équations de la houle linéaire est effectuée.Le calcul d’une solution approchée des équations de Berkhoff utilisant des résultats de l’optique géométrique complète ce chapitre
In this thesis, we are interested by Finite Elements methods for the three-dimensional free surface Navier–Stokes equations under the ALE formulation. They enable to simulate geophysical flows. The initial and main goal is to analyse the existing limitations of these numerical methods and to provide perspectives of improvement, justified mathematically.This purpose helps us to present a review and improvement way for Telemac-3D, which is a hydrodynamics industrial software developed by the Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement of EDF R&D. Therefore, we analyse precisely and we evaluate this algorithm, with respect to the recent scientific publications. This software solves the free surface Navier–Stokes equations with the decomposition of the pressure through a hydrostatic part and a dynamic part. A major limitation is that the velocity field of the fluid is not divergence-free. Furthermore, we highlight a time restriction on the time step. Moreover, alternative approaches are studied and compared. In particular, we focus on a numerical strategy which consists in advecting the free surface, in updating the domain and in solving the Navier–Stokes equations. Based on this strategy, we analyze a first order explicit scheme in time with a Finite Elements stabilization term. The numerical method allows to ensure important properties : the mass conservation of the water quantity and the weak free divergence condition. We demonstrate that this scheme is conditionally stable in time. Besides, we propose a new variational formulation allowing to obtain a semi-implicit scheme in time combined with the Finite Elements method,which is stable independently from the velocity of the mesh and without an exact free divergence velocity.Finally, in order to expand the hydrodynamic knowledges, some simplified models used in other software developed by EDF R&D are studied. In particular, we focus on the mild-slope equation solved in the software Artemis [51]. It is an asymptotic model derived from the linear water wave equation. As a consequence, we study the hypothesis and the validity of the derivation. An approximate analytical solution is additionally derived for this purpose. Moreover, comparisons with other asymptotic models, such as the linear shallow water equation or the Helmholtz equation, are presented

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Mougel, Jérôme. "Ondes et instabilités dans les écoulements tournants à surface libre." Phd thesis, Toulouse 3, 2014. http://oatao.univ-toulouse.fr/14407/1/These_finale.pdf.

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Abstract:

Cette thèse porte sur l’étude des ondes et instabilités dans les écoulements tournants à surface libre. On s’intéresse en particulier à la situation générique d’un récipient cylindrique partiellement rempli d’un fluide incompressible et dont le fond est en rotation rapide. En particulier, la formation de motifs connus sous le nom de polygones tournants ainsi que des phénomènes d’alternance temporelle nommés switching et sloshing est considérée. Dans ce but, des analyses de stabilité globale sont présentées en considérant des champs d’écoulement de base modèles tels que la rotation solide (seau de Newton), la rotation potentielle et le tourbillon de Rankine. Egalement, quelques résultats expérimentaux originaux obtenus lors d’un séjour au DTU (Copenhague) sont présentés. Les analyses de stabilité globales permettent de montrer que diverses familles d’ondes sont présentes dans ces configurations, à savoir des ondes de surface gravitaires et centrifuges, des ondes inertielles, des ondes de Rossby et des ondes de Kelvin-Kirchhoff. Il est constaté que le seau de Newton est toujours stable dans la gamme des paramètres considérés. Au contraire, des instabilités sont obtenues pour des nombres d’onde azimutaux m>=2 pour le tourbillon potentiel. Le diagramme de stabilité obtenu dans l’espace des paramètres (a, F), avec a le rapport d’aspect et F un nombre de Froude, reproduit qualitativement les zones d’observation expérimentales des motifs polygonaux. Les instabilités sont dues à une résonance entre des ondes gravitaires et des ondes centrifuges. Le mécanisme peut être interprété en terme d’onde à énergie négative à l’aide d’un modèle simplifié à deux couches, ou en terme d’over-reflection en utilisant une approche de type WKBJ pour de grandes valeurs de m et dans l’approximation de faibles profondeurs. Par ailleurs, les mécanismes d’un phénomène d’hysteresis observé expérimentalement ainsi que le phénomène de switching sont appréhendés à l’aide d’une étude faiblement non-linéaire effectuée sur le modèle à deux couches. Enfin, le modèle de Rankine, plus représentatif de l’expérience pour de faibles nombres de Froude est étudié et révèle la présence de nouvelles interactions d’ondes conduisants à des instabilités. Ces nouvelles instabilités capturent le phénomène de sloshing et donnent des éléments additionnels pour la comparaison avec les expériences.

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Cai, Wei. "Etude expérimentale des cavités latérales en écoulements à surface libre." Thesis, Lyon, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAL0062/document.

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Abstract:

Les cavités latérales sont des zones mortes à surface libre situées sur le côté d’un écoulement fluvial ou côtier. Les vitesses caractéristiques au sein de la cavité étant beaucoup plus faibles que celles de l’écoulement, une couche de mélange se développe à l’interface entre ces deux régions. Cette couche de mélange peut alors transférer de la quantité de mouvement de l’écoulement vers la cavité et ainsi mettre en mouvement la cavité et peut aussi transférer de la masse entre les deux régions, telle une pollution venant de l’écoulement amont. L’étude de cette thèse a alors consisté à étudier les caractéristiques de la couche de mélange, qui est rendue spécifique par le fait qu’elle se développe entre deux coins géométriques formés par l’intersection entre les parois de la cavité et celles de l’écoulement principal. Nous avons alors pu identifier l’origine et l’alternance des mouvements de fluide dans la direction transverse: de la cavité vers l’écoulement et inversement. Concernant la mise en mouvement de la cavité, le choix a été fait de considérer un écoulement principal fixé et de modifier l’extension de la cavité dans la direction perpendiculaire à l’écoulement, passant ainsi d’une cavité rectangulaire alignée avec l’écoulement principal à une cavité allongée dans le sens opposé. La mesure de champ de vitesse par PIV 2D a alors montré une forte évolution de la forme de l’écoulement à mesure que la géométrie de la cavité évolue : un système avec deux cellules alignées dans le sens de l’écoulement à un système à une seule cellule, puis un système à deux cellules et enfin un système complexe 3D ont ainsi été observés pour une cavité de plus en plus allongée. Ensuite, une modification du dispositif expérimental a permis de mesurer de deux façons différentes le transport de scalaire de l’écoulement principal vers la cavité, de comprendre les processus associés à ce transfert et enfin de quantifier cette capacité de transfert pour différents écoulements principaux et différentes géométries de cavités. Nous avons notamment montré que la géométrie de la cavité a peu d’effet alors que le nombre de Reynolds et la profondeur d’eau normalisée ont un effet majeur sur cette capacité de transfert de masse entre les deux régions
Lateral cavities are free-surface dead-zones located on the side of a fluvial or coastal main flow. As the typical velocities are much larger in the main flow than in the cavity, a mixing layer appears at the interface between both regions. This mixing layer is able to transfer between the main flow and the cavity momentum which then sets the fluid in the cavity in motion and also passive scalar, such as a pollution coming from upstream. The objective of this work was then to investigate the characteristics of the mixing layer, which specificity comes from the fact that it is constrained between the upstream and downstream geometrical corners. It was possible to observe the origin and alternation of the transversal fluid motions: from the cavity towards the main flow and conversely. Regarding the motion in the cavity, the choice was made to keep a constant main flow and to measure the 2D horizontal velocity field using PIV as the extension of the cavity increases. The flow pattern then passes from a 2-cell patterns aligned in the direction of the main flow to a single-cell pattern, then a 2-cells patterns aligned along the direction perpendicular to the main flow and finally a complex 3D pattern for the widest cavity. Then a modification of the experimental set-up permitted to investigate the passive scalar exchanges from the main stream towards the cavity. It was possible to understand the processes responsible for such transfer and to quantify the transfer capacity. The analysis dimensional revealed that in the present subcritical, smooth simplified geometry cavity, the three parameters possible responsible for the modification of the transfer capacity are the geometrical aspect ratio of the cavity, the Reynolds number of the main flow and finally the normalized water depth. It was then shown that the impact of the cavity geometry remains negligible but that the Reynolds number and the normalized water do impact this passive scalar transfer capacity

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Schaer, Nicolas. "Modélisation des écoulements à surface libre de fluides non-newtoniens." Thesis, Strasbourg, 2018. http://www.theses.fr/2018STRAD033/document.

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Abstract:

L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique 3D afin d’étudier le phénomène de laves torrentielles ; écoulements visqueux fortement chargés en matière solide, surgissant en montagne lors d’orages violents. Aujourd’hui, la prévision des zones de vulnérabilité s’appuie sur des outils de calcul 0D, 1D ou 2D. Or ces outils ne peuvent représenter pleinement le comportement à surface libre des écoulements du fait de nombreuses approximations et hypothèses. Ainsi cette thèse met en œuvre un code numérique 3D pour étudier ces écoulements. Ce travail aboutit à la construction d’un modèle 3D à partir de données réelles de terrain. Plusieurs scénarios ont été étudiés et comparés à des résultats issus d’un modèle 2D. Les résultats mettent en évidence les apports non négligeables de la modélisation 3D : zones d’étalement et de dépôt, phénomènes d’encombrement, modélisation fine des écoulements dans les zones chenalisées. Préalablement, le modèle 3D a été validé en comparant les résultats numériques à des données expérimentales issues de la littérature, pour des typologies d’écoulement représentatives de celles observées sur des sites grandeur nature
The objective of this thesis is to develop a 3D numerical model to assess debris flow. These viscous flows, heavily loaded with solid matter, form when heavy rain occurs in mountains. Today, forecasts of potentially impacted areas are based on 0D, 1D and 2D numerical tools. However, these tools cannot fully represent the free surface behaviour of debris flows due to the approximations and assumptions on which they are based. Thus, this work utilises a 3D numerical code to study this phenomenon. A specific model is built with real field data. Several flow scenarios are studied and compared with a 2D numerical model. The results highlight the significant benefits of a 3D approach by providing information on the fine representation of flow dynamics over the catchment area. The model also predicts the impact of debris flow (overflowing on a road bridge) and the zones of deposition and spreading. It highlights possible congestion phenomena and reproduces flows in the channels by fully accounting for parietal friction, capabilities not provided by 2D models. Prior to this application, the 3D model was evaluated with five sets of experimental data to validate its ability to represent viscoplastic flows. Different types of flows are studied and are representative of those observed on real sites when debris flow occur

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Pavan, Sara. "Nouveaux schémas de convection pour les écoulements à surface libre." Thesis, Paris Est, 2016. http://www.theses.fr/2016PESC1011/document.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif la construction de schémas d’ordre élevé et peu diffusifs pour le transport d’un scalaire dans les écoulements à surface libre, en deux ou trois dimensions. On souhaite en particulier obtenir des schémas robustes, qui gardent au niveau discret les propriétés mathématiques de l’équation de transport avec une faible diffusion numérique, et les utiliser sur des cas industriels. Dans ce travail deux méthodes numériques sont envisagées : une méthode aux volumes finis (VF) et une méthode aux résidus distribués (RD). Dans les deux cas, l’équation de transport est résolue avec une approche découplée, qui est la solution la plus avantageuse en termes de précision et de coûts de calcul. Pour ce qui concerne la méthode aux volumes finis, les équations de Saint-Venant couplées à l’équation du transport sont d’abord résolues avec un schéma dit vertex-centred où le flux numérique est approximé avec un solveur de Riemann appelé Harten-Lax-Van Leer-Contact [135]. A partir de cette approche, une formulation découplée est proposée. Cette dernière permet de résoudre l’équation du transport avec un pas de temps plus grand que celui de la formulation couplée. Cette idée a été d’abord proposée pour d’autres schémas dans [13]. Pour augmenter l’ordre de précision en espace, la technique MUSCL [89] est utilisée en combinaison avec l’approche découplée. Finalement, la problématique des zones sèches est abordée. Dans le cas de la méthode aux résidus distribués, les équations de Saint-Venant sont résolues avec une méthode éléments finis, et la méthode RD est utilisée seulement pour discrétiser l’équation du transport, en focalisant l’attention sur les problèmes non stationnaires. L’équation de continuité du fluide discrétisée est employée pour garantir la conservation de la masse et le principe du maximum. Pour obtenir des schémas d’ordre deux dans les problèmes non stationnaires, un schéma prédicteur-correcteur [112] est utilisé, en l’adaptant au cas de concentration moyennée sur la verticale. Une version d’ordre 1 mais peu diffusive, est aussi présentée dans ce travail. De plus, un schéma localement implicite, complètement nouveau, est aussi formulé pour pouvoir traiter le problème des bancs découvrant. Les deux techniques sont validées d’abord sur des cas simples, pour évaluer l’ordre de précision des schémas et ensuite sur des cas plus complexes pour vérifier aussi les autres propriétés numériques. Les résultats montrent que les nouveaux schémas sont à la fois précis et conservatifs, tout en gardant la monotonie comme le prévoient les démonstrations. Un cas d’application industriel est aussi présenté en conclusion. Le schéma prédicteur-correcteur RD est adapté aussi au cas 3D, sans aucun problème théorique nouveau, par rapport au cas 2D. Les propriétés de base des schémas sont validées sur des cas test préliminaires
The purpose of this thesis is to build higher order and less diffusive schemes for pollutant transport in shallow water flows or 3D free surface flows. We want robust schemes which respect the main mathematical properties of the advection equation with relatively low numerical diffusion and apply them to environmental industrial applications. Two techniques are tested in this work: a classical finite volume method and a residual distribution technique combined with a finite element method. For both methods we propose a decoupled approach since it is the most advantageous in terms of accuracy and CPU time. Concerning the first technique, a vertex-centred finite volume method is used to solve the augmented shallow water system where the numerical flux is computed through an Harten-Lax-Van Leer-Contact Riemannsolver [135]. Starting from this solution, a decoupled approach is formulated and is preferred since it allows to compute with a larger time step the advection of a tracer. This idea was inspired by [13]. The Monotonic Upwind Scheme for Conservation Law [89], combined with the decoupled approach, is then used for the second order extension in space. The wetting and drying problem is also analysed and a possible solution is presented. In the second case, the shallow water system is entirely solved using the finite element technique and the residual distribution method is applied to the solution of the tracer equation, focusing on the case of time-dependent problems. However, for consistency reasons the resolution of the continuity equation must be considered in the numerical discretization of the tracer. In order to get second order schemes for unsteady cases a predictor-corrector scheme [112] is used in this work. A first order but less diffusive version of the predictor-corrector scheme is also introduced. Moreover, we also present a new locally semi-implicit version of the residual distribution method which, in addition to good properties in terms of accuracy and stability, has the advantage to cope with dry zones. The two methods are first validated on academical test cases with analytical solution in order to assess the order of the schemes. Then more complex cases are addressed to test the robustness of the schemes and their performance under different flow conditions. Finally a real test case for which real data are available is carried out. An extension of the predictor-corrector residual distribution schemes to the 3D case is presented as final contribution. Even in this case the RD technique is completely compatible with the finite element framework used for the Navier-Stokes equations, thus its extension to the 3D case does not present any extra theoretical problem. The method is tested on preliminary cases

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Mercier, Jean-François. "Simulation des interactions entre les écoulements à surface libre et souterrain." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1999. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk1/tape8/PQDD_0020/MQ48867.pdf.

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Wertel, Jonathan. "Modélisation tridimensionnelle des écoulements turbulents en conduite d'assainissement à surface libre." Strasbourg, 2009. http://www.theses.fr/2009STRA6232.

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Abstract:

L’objectif de ce travail est l’interpolation du débit à partir de données issues de vélocimètre à effet Doppler. Pour ce faire une modélisation précise des écoulements turbulents doit être implémentée dans un code conçu pour les conduites d’assainissement. Du fait de l’uniformité de l’écoulement dans le sens du flux, un maillage 2D est utilisé pour effectuer le calcul du champ de vitesse en 3D. Un modèle RSM des écoulements turbulents uniformes à surface libre a donc été développé en version bas-Reynolds afin de pouvoir intégrer les équations en zone proche paroi incluant la sous-couche visqueuse. Une combinaison de (Shir, 1973), (Gibson & Launder, 1978) et (Cokljat, 1993) a été additionnée au terme de corrélation fluctuation de pression/champ moyen de vitesse afin de prendre en compte l’effet d’amortissement de la surface libre et le caractère redistributif d’énergie cinétique turbulente des parois. Ce modèle a été implémenté (sous Matlab) dans un code aux volumes finis, tout comme un modèle k-ε à titre de comparaison. On montre ainsi le rôle prépondérant du caractère anisotrope de la turbulence dans la génération des courants secondaires. Les résultats présentés sont comparés avec ceux de (Kang & Choi, 2005) qui ont développé un modèle RSM utilisant des lois de paroi et avec les résultats expérimentaux de (Nezu & Rodi, 1985). Il y a une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Les effets sur les tensions de Reynolds de l’annulation de la contrainte tangentielle aux coins sont reproduits. Par ailleurs, la projection du champ moyen de vitesse sur une section transverse met en évidence des courants secondaires, notamment des petites structures au niveau des angles formés par la surface libre avec les parois. Enfin, des cas expérimentaux issus de la littérature sont modélisés afin de comparer les débits mesurés avec ceux calculés par le modèle présenté, là encore il y a une bonne corrélation. Pour finir, un banc d’essai a été conçu pour la mesure de vitesse en canal. Un banc de déplacement automatisé a été assemblé autour d’un canal de 20m de long, il est équipé des systèmes de mesure par ADV et PIV
The aim of this work is the interpolation of a mean flow stream from discreet data supplied by a Doppler velocimeter. This is why a precise flow modeling needs to be implemented in a code designed for sewer net conduit. A 2D mesh is used to calculate 3D velocity flow. This work deals with the description of a Reynolds stress model for the numerical modeling of uniform 3D turbulent open-channel flows. The turbulence model is low-Reynolds one in order to enable the viscosity-affected region to be resolved including the viscous sublayer. Therefore, in order to consider the damping effects at the free surface and the redistribution of turbulent kinetic energy effects at the wall, a combinations of (Shir, 1973), (Gibson & Launder, 1978) and (Cokljat, 1993) models are added to the pressure-strain term. The finite volume method is used for the numerical solution (with Matlab) of the flow equations and transport equations of the Reynolds stress components. K-ε model has been implanted to compare with the developed model; it is found that both production terms by anisotropy of Reynolds normal stress and by Reynolds shear stress contribute to the generation of secondary currents. The results presented here are compared with results predicted by the RSM model of (Kang & Choi, 2005) employing wall functions and with experimental data of (Nezu & Rodi, 1985). There is a good agreement between the measurements and the results predicted. Effects of low corner’s wall shear stress on Reynolds stress are underlined. The computed flow vectors in the plane normal to the main flow direction show secondary currents and moreover a small vortex, called inner secondary currents, located at the juncture of the sidewall and the free surface. Then experimental cases are modeled, good agreement of flow rate predicted with measurement was found. Finally test bench has been created for velocity channel measurements. An automated portal structure has been assembled all around a 20m long channel to fix onto the ADV and PIV sensors

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Al, Mikdad Ouacim. "Modélisation des écoulements à surface libre en réseaux maillés et ramifiés." Compiègne, 2000. http://www.theses.fr/2000COMP1322.

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Abstract:

Depuis une vingtaine d'années se succèdent des inondations dans nos pays industrialisés causant de graves pertes humaines et des dégâts matériels consi¬dérables. Cependant le recours à des outils de simulation des écoulements à l'intérieur des rues, apporterait une meilleure connaissance des processus de submersion et de propagation des ondes de crues. C'est ainsi que des solutions d'aménagement pourront être et faire l'objet de comparaison. Ces variantes permettront de mettre en évidence les contraintes et de proposer des solutions visant à diminuer les risques. Pour cela nous avons conçu un modèle numérique 1D/2D pour les écoulements de crues dans les tissus urbains qui prend en considération les éléments suivants : le choix du schéma d'intégration numérique afin d'assurer la stabilité et la précision du modèle, la capacité de capturer les chocs notamment lors du passage d'un régime torrentiel à un régime fluvial avec apparition de ressauts hydrauliques, la capture du front raide des écoulements sur fond sec en présence ou non des précipitations avec conservation de débit et enfin la capacité de traiter les écoulements dans les réseaux à jonctions tout en assurant une distribution correcte du débit dans les branches associées.

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Labiod, Chouaib. "Écoulement à surface libre sur fond de rugosité inhomogène." Toulouse, INPT, 2005. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000135/.

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Abstract:

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
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

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Decoene, Astrid. "Modèle hydrostatique pour les écoulements à surface libre tridimensionnels et schémas numériques." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00180003.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif l'approfondissement de l'étude des équations régissant les écoulements à surface libre en dimension trois.
Nous proposons d'une part une nouvelle formulation variationnelle du problème hydrostatique aboutissant à un problème semi-discretisé en temps bien posé. Nous en faisons l'analyse mathématique et nous montrons quelques résultats numériques obtenus après programmation de l'approximation de ce problème dans le logiciel Telemac-3D développé au Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement (LNHE) d'edf.
D'autre part, nous étudions la réinterprétation dans le cadre ALE de la méthode de discrétisation verticale de domaines tridimensionnels appelée transformation sigma, et nous en proposons une généralisation permettant d'améliorer la représentation des stratifications dans un écoulement
Finalement, nous présentons un schéma ALE-MURD conservatif pour la résolution des équations de convection linéaires posées sur un domaine mobile. Une condition particulière doit être vérifiée afin que le schéma soit conservatif lorsque le domain bouge effectivement. Nous montrons comment assurer cette contrainte dans le cas particulier où le domaine est tridimensionnel et ne bouge que selon la verticale. Ce résultat est illustré dans le cadre des écoulements à surface libre en dimension trois.

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Ata, Riadh. "Développement de méthodes particulaires pour la résolution des écoulements à surface libre." Mémoire, École de technologie supérieure, 2007. http://espace.etsmtl.ca/1/1/ATA_Riadh.pdf.

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Abstract:

Ce travail vise à développer des approches particulaires dans le but de simuler les écoulements à surface libre. Celles-ci s'inspirent des méthodes sans maillages, méthodes apparues durant ces deux dernières décennies, et présentant des avantages par rapport aux approches numériques standards. La première partie de la thèse est consacrée à présenter cette famille de méthodes, dont quelques unes des plus connues sont détaillées. Les principaux avantages de ces méthodes ainsi que les plus importants défis à leur encontre seront énumérés. Par la suite, la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) est utilisée pour simuler les écoulements à surface libre en utilisant le système de Saint-Venant homogène. Une étude mathématique variationnelle révèle que cette méthode aboutit à une formulation symétrique et donc numériquement instable. Le schéma obtenu est stabilisé par un décentrage (upwinding) qui consiste à introduire une viscosité artificielle. L'expression de cette viscosité est obtenue par une analogie avec les solveurs de Riemann. Cette technique de stabilisation conduit à des résultats probants oii les chocs sont bien captés. Toutefois, un effet de lissage est observé au niveau des discontinuités probablement dû à l'absence de technique de type MUSCL dans le décentrage introduit. La méthode SPH, comme la majorité des méthodes sans mailiage, possède une fonction de forme non-interpolante rendant difficile l'imposition des conditions aux limites. Ce problème est surmonté en adoptant une interpolation de type élément naturel. Une nouvelle méthode de type volumes finis a été présentée : Méthode des Volumes Naturels : MVN. Cette méthode s'inspire de l'application de la méthode des éléments naturels en formulation Lagrangienne particulaire. Les flux sont évalués sur les cellules de Voronoï en utilisant la méthode des éléments naturels. Le schéma obtenu est un schéma centré donc instable. La même procédure de stabilisation adoptée pour la méthode SPH a été appliquée pour la MVN. La MVN montre les mêmes avantages que la méthode SPH lorsqu'elle est appliquée en formulation Lagrangienne. De plus, le caractère interpolant de la fonction de forme de type éléments naturels, permet aisément d'imposer des conditions aux frontières de type Dirichlet. L'application de la MVN dans le cas des équations de Saint-Venant homogènes et ensuite non-homogènes (avec termes source) montre un bon potentiel de cette nouvelle méthode. Le terme source de type géométrique disparaît dans la formulation de type MVN Lagrangienne et les cas avec bathymétrie variable sont traités exactement comme les cas à bathymétrie nulle. Ainsi la profondeur d'eau est remplacée par le niveau de la surface libre. Le schéma obtenu vérifie la z-propriété et la C-propriété.

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Chang, Philippe. "Modélisation des écoulements turbulents à surface libre par éléments finis de frontière." Thesis, Université Laval, 2008. http://www.theses.ulaval.ca/2008/25742/25742.pdf.

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Buil, Nathalie. "Modélisation tridimensionnelle du transport de polluants dans les écoulements à surface libre." Lyon 1, 1999. http://www.theses.fr/1999LYO10059.

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Abstract:

La presence de plus en plus frequente de pollutions ponctuelles dans les rivieres incite a developper des outils de simulation numerique permettant de determiner tres precisement les champs de concentration en fonction de l'espace et du temps. Le niveau de modelisation depend generalement de la region etudiee. Dans le voisinage du point d'injection, le melange se realise dans toutes les directions de l'espace ; il necessite par consequent une modelisation tridimensionnelle. Le devenir d'un polluant depend en premier lieu des caracteristiques de l'ecoulement qui le transporte. Une representation extremement precise de tous les phenomenes hydrodynamiques presents dans le milieu recepteur s'avere donc necessaire. En particulier, la prise en consideration de la turbulence est essentielle. Un modele hydrodynamique ne comportant pas d'hypothese simplificatrice majeure a donc ete construit. D'une part, la hauteur de la surface libre dans le domaine est consideree comme une inconnue a part entiere afin de reproduire tres finement la deformation de cette derniere au cours du temps. D'autre part, l'hypothese de pression hydrostatique est rejetee afin que le modele puisse etre applique a tous types de geometries. Enfin, des conditions aux limites adaptees a la modelisation d'un ecoulement en milieu naturel ont ete developpees. La progression de la pollution dans l'environnement defini precedemment se modelise ensuite en terme de concentration par l'intermediaire d'un modele de convection-dispersion. Dans la perspective d'une confrontation avec des mesures experimentales, ce sont des geometries rectangulaires aux dimensions d'un canal de laboratoire qui ont tout d'abord ete utilisees. Des situations geometriques plus complexes ont ensuite ete simulees. Le modele global repond de maniere tres satisfaisante a de nombreux tests numeriques. Par ailleurs, les hauteurs d'eau determinees par le modele numerique sont comparables a celles mesurees dans des conditions similaires.

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Le, Coz Olivier. "Un schéma équilibré pour les écoulements à surface libre instationnaires avec bathymétrie." Bordeaux 1, 1996. http://www.theses.fr/1996BOR10606.

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Abstract:

En traitant la bathymetrie au niveau des interfaces du maillage, on parvient a reduire considerablement les contraintes de stabilite pour le modele de saint-venant en hydrologie. Cette idee originale a ete analysee au niveau de solveurs particuliers, puis exploitee dans des cas tests et de veritables etudes de terrain

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Decoene, Astrid. "Modèle hydrostatique pour les écoulements à surface libre tridimensionnels et chémas numériques." Paris 6, 2006. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00180003.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif l'approfondissement de l'étude des équations régissant les écoulements à surface libre en dimension trois. Nous proposons d'une part une nouvelle formulation variationnelle du problème hydrostatique aboutissant à un problème semi-discretisé en temps bien posé. Nous en faisons l'analyse mathématique et nous montrons quelques résultats numériques obtenus après programmation de l'approximation de ce problème dans le logiciel Telemac-3D développé au Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement (LNHE) d'edf. D'autre part, nous étudions la réinterprétation dans le cadre ALE de la méthode de discrétisation verticale de domaines tridimensionnels appelée transformation sigma, et nous en proposons une généralisation permettant d'améliorer la représentation des stratifications dans un écoulement. Finalement, nous présentons un schéma ALE-MURD conservatif pour la résolution des équations de convection linéaires posées sur un domaine mobile. Une condition particulière doit être vérifiée afin que le schéma soit conservatif lorsque le domain bouge effectivement. Nous montrons comment assurer cette contrainte dans le cas particulier où le domaine est tridimensionnel et ne bouge que selon la verticale. Ce résultat est illustré dans le cadre des écoulements à surface libre en dimension trois.

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Cherfils, Jean-Marc. "Développements et applications de la méthode SPH aux écoulements visqueux à surface libre." Phd thesis, Université du Havre, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00607041.

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Abstract:

Cette thèse porte sur le développement, la validation et l'application d'un code de calcul numérique à surface libre. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode particulaire,Lagrangienne, imaginée à l'origine pour la simulation de corps gravitaires en Astrophysique. Depuis les années 90, elle a été étendue à la modélisation d'écoulements à surface libre. En effet, lors de grandes déformations des interfaces (déferlement par exemple), l'absence de maillage est particulièrement intéressante. Cette propriété est également intéressante pour la simulation de plusieurs phases liquides aux propriétés différentes (eau/fond sédimentaire par exemple). Les applications visées sont la propagation de la houle et son interaction avec des obstacles immergés. Le modèle SPH a donc été établi en se basant sur la bibliographie et validé sur le cas de l'étirement d'une goutte en l'absence de gravité.Ensuite, la prise en compte de conditions aux limites sur des parois solides est étudiée puis appliquée à l'effondrement d'une colonne d'eau suivi d'un impact sur un mur vertical. Enfin, le modèle est étendu aux écoulements visqueux. Une nouvelle méthode de prise en compte des conditions limites de type adhérence, inspirée des frontières immergées en différences finies, a ainsi été développée. Elle autorise la simulation d'écoulements autour d'objets de formes complexes immergés dans le fluide. Le modèle est finalement appliqué à la propagation de la houle en canal et à son amortissement par une plaque horizontale immergée.

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Wahl, Fabien. "Modélisation et analyse des interactions entre écoulements à surface libre et objets flottants." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS487.

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Abstract:

Cette thèse traite de la modélisation et de la résolution numérique d'écoulements en présence d'une structure à la surface. On considère la problématique d'un objet flottant sur un grand domaine. Les écoulements sous la banquise et la production d'énergie renouvelable grâce à des bouées sont des applications potentielles de ce travail. Nous dérivons un modèle de type Saint-Venant avec une contrainte de congestion supplémentaire. La contrainte de congestion est un défi pour la résolution numérique d'équations hyperboliques. Nous proposons alors un modèle unifié basé sur une relaxation pseudo-compressible pour la résolution. Nous identifions les propriétés nécessaires à la résolution numérique et décrivons l'adaptation d'un schéma volumes finis. La préservation de l'état d'équilibre du lac au repos ainsi qu'une loi de dissipation pour l'énergie mécanique sont démontrées sous une condition non-restrictive sur le pas de temps. Pour prendre en compte un objet flottant librement, nous introduisons un couplage entre le modèle de Saint-Venant congestionné et les équations du mouvement données par le principe fondamental de la dynamique en nous concentrant sur l'énergie du système couplé. Cet aspect est en effet d'un intérêt majeur dans la production d'énergie. Un schéma de Newmark est utilisé pour le solide et couplé à la résolution numérique pour le fluide. Nous proposons une correction entropique basée sur un choix de discrétisation particulier des termes de couplage pour assurer une loi de dissipation au niveau discret. La méthode est validée en dimension un sur des solutions analytiques stationnaires et non-stationnaires
This thesis is about the modeling and the numerical approximation of flows in the presence of a structure at the surface. We consider the floating body problem on a large space scale. It is motivated by applications for geophysical phenomena such as flows under the ice floe and renewable energy production using wave energy converters. We derive a shallow water model with a supplementary congestion constraint. The congestion constraint is a challenging problem for the numerical approximation of hyperbolic equations. Thus we propose a unified model based on a pseudo-compressible relaxation for the resolution. We identify the mandatory properties for the numerical scheme and describe the adaptation of a numerical scheme based on a finite volume method. The well-balanced property and the dissipation of mechanical energy are ensured under a non-restrictive condition on the time step. To take into account freely floating objects, we introduce a coupling between the congested shallow water model and the equations given by Newton's second law of motion and focus on the energy of the coupled system. Indeed, the latter is of major interest for energy production. A Newmark scheme is used to solve the solid dynamics and coupled to the fluid scheme. We propose an entropy correction based on an adapted choice of discretization for the coupling terms in order to ensure a dissipation law at the discrete level. A validation is established in the one dimensional case using stationary and non-stationary analytical solutions

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Vigié, Franc. "Étude expérimentale d'un écoulement à surface libre au-dessus d'un obstacle." Toulouse, INPT, 2005. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001382/.

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Abstract:

Ce travail a pour objet l'étude d'un écoulement à surface libre en présence d'un obstacle unique bidimensionnel placé sur le fond d'un canal. L'objectif est de déterminer quel est le rôle de l'obstacle et son influence sur la dynamique de l'écoulement. Deux obstacles, un demi-cylindre et un obstacle de forme gaussienne sont utilisés. Pour ces deux types d'obstacles, des mesures expérimentales de hauteurs d'eau au centre du canal permettent d'obtenir différents profils de surface libre. Ceux-ci sont classés en régimes d'ondes de surface en fonction des paramètres de l'écoulement: le nombre de Froude et le facteur de blocage, qui rapporte la hauteur de l'obstacle à la hauteur d'eau mesurée sans obstacle. L'hydrodynamique au voisinage de l'obstacle est caractérisée à l'aide de mesures de champs de vitesses bidimensionnels. Une analyse de la topologie du champ de vitesse moyen et de la structure turbulente de l'écoulement est conduite et certains mécanismes physiques, contrôlant la forme de la surface libre et la structure locale de l'écoulement, sont mis en évidence
Free-surface flows over a single two-dimensional obstacle placed on the channel bottom wall are investigated in this work. The main objective is to determine the obstacle role and its influence on the flow dynamics. Two obstacles, a semi-cylinder and a flat gaussian one are used in this work. For both obstacles, free-surface profiles in the channel centerline are performed using water depth measurements. These profiles are classified in surface waves regimes, depending on the flow parameters: the Froude number and the blocking factor, which compares the height and the undisturbed water depth. Hydrodynamic in the obstacle vicinity is characterized with two-dimensional velocity fields measurements. Mean-velocity-field topology and the turbulence structure are analysed. Some of physical mechanisms, which control the free-surface shape and the local structure of the flow are exhibited

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Florens, Emma. "Couche limite turbulente dans les écoulements à surface libre : étude expérimentale d'effets de macro-rugosités." Toulouse 3, 2010. http://thesesups.ups-tlse.fr/1285/.

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Abstract:

Dans le cas d'écoulements sur fond rugueux, selon la théorie des couches limites sur paroi, la couche limite est composée de trois sous couches : la couche externe, la sous couche rugueuse et une zone de recouvrement entre les deux sous couches. Sous l'hypothèse d'invariance selon la direction transverse, et pour des rapports h/D faible (h hauteur des rugosités, D hauteur d’eau), la théorie prédit que le profil de vitesse longitudinale moyenne suit une loi logarithmique dans la zone de recouvrement. Cette loi permet d'accéder aux paramètres de paroi, comme la longueur de rugosité z0, et permet également d'estimer le coefficient de frottement nécessaire à fermer les équations de St Venant intégrées sur la verticale. Cependant, lorsque l'écoulement se fait en présence de macro-rugosités, i. E. Pour h/D important, ou en présence d'un fond rugueux inhomogène, la question de la validité de la loi logarithmique se pose. Une étude expérimentale de deux effets de macro-rugosités a été ici effectuée : l'effet de confinement de la couche limite et l'effet de la présence d'une variation transverse de macro-rugosités. Les écoulements ont été générés dans une veine hydraulique de grande dimension (20m x 1. 1m x 0. 5m), sur des fonds macro rugueux composés de cubes en PVC de 2 cm de côté. La technique de PIV 2D a été employée. Des moyens techniques nouveaux, tel que l'emploi de cubes en verre BK7, ont permis de mesurer le champ de vitesse entre les rugosités avec une grande résolution spatiale. Dans le cas de fonds rugueux homogènes, il a été mis en évidence que la similarité de la couche externe est observée jusqu'à des confinements h/D = 0. 33. Pour de fort confinement (h/D > 0. 15), la vitesse de frottement u*, liée à l'intensité de frottement généré à la paroi, n'est plus l’échelle caractéristique de vitesse de l'écoulement. Dans le cas d'écoulements sur fond rugueux inhomogène, une étude préliminaire a permis d'observer l'effet des courants secondaires générés par le changement de rugosité sur la similarité de la couche externe
In the case of turbulent rough flows, according to the wall boundary layers theory, the boundary layer is composed of three sublayers : the outer layer, the roughness sublayer and an overlap between the two sublayers. Under the assumption of invariance under the transverse direction, and for ratios h/D low (h roughness height, D water depth), the theory predicts that the longitudinal mean velocity profile follows a logarithmic law in the overlap layer. This log-law provides access to the wall parameters, as the roughness length z0, and can also estimate the coefficient of friction necessary to close the St Venant equations vertically integrated. However, in presence of macro-roughnesses, i. E. For h/D important, or in presence of a inhomogeneous rough bed, the question of the logarithmic law validity arises. An experimental study of two macro-roughnesses effects has been made : the confinement effect and the transverse variation of macro-roughnesses effect. The regimen were generated in a large open-channel (20m x 1. 1mx 0. 5m), and macro-rough beds were made with 20 mm plastic cubes. 2D PIV technique was used. New measurement technologies, such as BK7 glass cubes, were used to measure the velocity field between the roughness elements with high spatial resolution. In the case of homogeneous rough bed, it was revealed that the similarity of the outer layer is observed for confinement numbers h/D < 0. 33. For strong confinement (h/D > 0. 15), the friction velocity u*, related to the intensity of friction generated at the wall, is no longer the characteristic scale of the flow velocity. In the case of flows over inhomogeneous rough bed, a preliminary study was made to observe the effect of secondary currents generated by the change of roughness on the outer layer similarity

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Le, Touzé David. "Méthodes spectrales pour la modélisation non-linéaire d'écoulements à surface libre instationnaires." Phd thesis, Ecole centrale de nantes - ECN, 2003. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00370200.

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Abstract:

Les méthodes spectrales sont connues pour leurs propriétés de convergence rapide et de précision. Cependant, leur application à l'hydrodynamique navale reste encore aujourd'hui peu étendue. Le but de ce doctorat est d'étudier les possibilités de leur application à la génération et propagation de houle, dans le cadre de la théorie des écoulements potentiels.
Un bilan des différentes approches spectrales employées jusqu'à présent en hydrodynamique navale est d'abord dressé, étayant le choix des techniques développées au cours de ce travail. L'étude des propriétés de ces techniques est ensuite réalisée sur le ‘noyau' de la méthode, i.e. une cuve tri-dimensionnelle de géométrie figée. En particulier, différentes techniques High-Order Spectral sont comparées entre elles et à la méthode directe, et une nouvelle variante est proposée. Des validations sur des cas de lâchers de surface libre et d'oscillations forcées de surface libre sont présentées et confrontées à diverses méthodes.
L'approche est ensuite étendue, à partir de ce ‘noyau' et au moyen de stratégies de ‘potentiel additionnel', donnant lieu au développement de divers modèles. Ainsi, des houles non-linéaires sont modélisées à l'aide de doublets tournants instationnaires spécifiquement développés. Des cas de reproduction de signaux temporels cibles à une distance, et de génération et propagation de houle irrégulière sont présentés. De plus, une caractéristique avantageuse d'une telle approche spectrale est exploitée pour proposer des modèles originaux de diffraction autour de corps. Ceux-ci allient une génération de houle par méthode spectrale à des modèles de diffraction en fluide parfait ou visqueux, formulés en changement de variable. Des exemples illustratifs de diffraction de cette houle autour de corps bi- ou tri-dimensionnels sont proposés.
Enfin, un modèle original de simulation complète, au second-ordre, du processus de génération et propagation en bassin de houle tri-dimensionnel est réalisé. Il inclut la modélisation de différents batteurs, ainsi qu'un modèle d'absorption, permettant notamment de reproduire les caractéristiques complètes du nouveau bassin de houle de l'École Centrale de Nantes. Ce modèle est validé par comparaison à une solution analytique en régime établi et ses propriétés numériques sont étudiées. L'investigation des ondes libres et leur suppression, ainsi que la caractérisation de zones utiles sont proposées à titre d'application.

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Gutiérrez-Matus, Pablo. "Effects on the free surface of a turbulent flow." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2013. http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/92/19/54/PDF/PGutierrez-PhdThesis20131219.pdf.

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Abstract:

Nous nous intéressons aux effets en surface induits par un écoulement turbulent, en utilisant une approche expérimentale. Nous étudions un écoulement turbulent de faible épaisseur avec une surface libre. L'écoulement est produit dans un métal liquide à l'aide d'une force électromagnétique. Il présente des tourbillons, des bandes de cisaillement et des ondes, dépendent des conditions de forçage. Trois aspects ont été considérées: la déformation de surface engendré par la turbulence; les effets de la turbulence sur la propagation des ondes; et les effets de la turbulence sur des particules qui flottent à la surface. Concernant la déformation de surface : à mesure que l'on augmente l'intensité du forçage, l'écart type de la déformation augmente de façon linéaire, jusqu'à atteindre le 10% de l'épaisseur du fluide. Les déformations extrêmes peuvent atteindre la moitié de l'épaisseur. A faible forçage, la déformation de surface est principalement liée à la présence des tourbillons, impliquant une distribution de l'hauteur avec un facteur d'asymétrie négatif. Cette observation contraste avec la turbulence d'onde, où une asymétrie est aussi observée, mais avec un facteur d'asymétrie positif, notamment à cause des crêtes pointues dans les ondes de gravité. Le spectre en fréquence de la déformation présente une loi de puissance avec un exposant -5, similaire au spectre de singularité de Phillips. Ainsi, nous avons présenté les empreintes statistiques des tourbillons. Deuxièmement, nous avons considéré un autre aspect de la relation onde-écoulement turbulent : nous avons induit mécaniquement des ondes monochromatiques à la surface de l'écoulement. Lorsque l'écoulement deviens plus intense, nous avons mesure la décroissance et l'élargissement du mode associé à l'onde. Nous avons calculé une moyenne cohérente que souligne l'onde para rapport aux fluctuations turbulentes. Ceci nous permet d'observer la décroissance spatial de l'onde lorsque l'écoulement deviens plus intense. Ces analyses nous ont permit de quantifier une augmentation de l'atténuation des ondes à cause de la turbulence. Si l'on considère des particules qui flottent à la surface du liquide, on s'aperçoit qu'elles ont tendance à former des amas. Ce phénomène est confirmé par une analyse statistique des aires définies par la position des trois particules voisines. Ce faisant, on peut identifier clairement les particules qui appartiennent aux amas. De plus, ces particules présentent une corrélation très forte des vitesses et d'orientation angulaire. Plusieurs mécanismes physiques peuvent induire cette formation des amas: (i) l'inertie des particules ; (ii) des mouvements verticaux secondaires et ; (iii) la déformation de surface. Nous avons construit des quantités pour corréler les effets de concentration de particules avec ses mécanismes. Les corrélations plus importantes sont celles que concernent les mouvements verticaux secondaires, qui l'on interprète comme le mécanisme responsable des effets de concentration
We study surface manifestations of a turbulent flow from an experimental point of view. Specifically we study a turbulent flow in a thin layer of fluid (a liquid metal) with free surface. The flow is generated with an electromagnetic force. It exhibits interacting vortices, shear bands and waves, depending on the forcing conditions. We explored three consequences of the horizontal turbulent motion as observed on the surface: Surface deformation itself; the effects on propagating waves; and the effects on floating particles. Concerning the surface deformation: when the forcing strength is increased, we observe a linear increase of the surface level r. M. S. Fluctuations up to 10% of the liquid layer thickness. Largest deformations, however, can reach a half of the layer thickness. Surface deformation is mainly produced by vortices, thus it is asymmetric through values under the mean. This contrast with observations in random sea waves and wave turbulence, were an asymmetry appears as well --this time through values above the mean--, as a consequence of sharp crests in steep gravity waves. The frequency spectrum of the deformation follows a power-law with an exponent close to -5, similar to the singularity spectrum of Phillips. Thus, we presented the statistical signature of vortical motion. We considered another aspect of the wave-turbulence relation: we mechanically induced a monochromatic wave over the turbulent flow. We measure a reduction and widening of the wave spectral peak that happens when turbulent motion is increased. Also, we computed coherent averages to emphasize the wavy part of the signal. We observe a spatial decay in wave content when turbulent motion is increased. Therefore, we quantified the enhancement of wave attenuation due to turbulence, and we observed its non trivial dependence on the wave frequency. Concerning dynamics of floating particles: We observe that particles have the tendency to form clusters, and we confirm this observation by developing a statistical method based on the areas defined by the position of three nearest neighbors. This tool allows us to clearly identify particles belonging to a cluster. Indeed, clustered particles exhibit much stronger velocity and angular correlations than the unconditioned case. Several mechanisms are susceptible to induce clustering of floating particles. We identify (i) particles' inertia, (ii) upwelling/downwelling flows and (iii) surface tension. For each mechanism we construct suitable quantities, which we correlate with the cumulated concentration of particles. These correlations suggest upwelling and downwelling motions as responsible for particles clustering

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Oukacine, Marina. "Étude expérimentale et numérique des écoulements à surface libre en présence d'obstacles émergés et faiblement submergés." Thesis, Paris Est, 2019. http://www.theses.fr/2019PESC1019.

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Abstract:

Selon le Ministère de la Transition Écologique et Solidaire, les inondations sont le principal risque naturel en France. Du fait du dérèglement climatique, les inondations extrêmes deviendront plus fréquentes. Les personnes et les biens, i.e. habitations, installations industrielles, doivent donc être protégés contre ces crues pour lesquelles les données sont très rares voire inexistantes. Lorsque l’on passe d’une crue faible à une crue extrême, l’extension spatiale de l’inondation en lit majeur varie fortement. La nature des obstacles rencontrés varie : végétation basse, arbres, habitations... Ces obstacles ou macro-rugosités hydrauliques peuvent être émergés, ou faiblement immergés.Le but de ce travail de thèse est d’analyser les processus physiques dominants associés à des écoulements de crues extrêmes en présence d’obstacles émergés ou faiblement submergés. Cette thèse s’organise en deux parties : une partie expérimentale et une partie numérique.La partie expérimentale porte sur l’exploration, dans un canal de laboratoire, de la structure verticale du profil de vitesse et des effets géométriques liés à la configuration étudiée représentant une plaine d’inondation urbanisée avec des taux d’immersion de (symbole dollar) D/h = à 0,42 ; 0,93 ; 0,98(symbole dollar) et (symbole dollar)1,48(symbole dollar) ((symbole dollar) D(symbole dollar) étant la hauteur d’eau et (symbole dollar) h(symbole dollar) la hauteur de l’obstacle). Des mesures ADV et PIV des vitesses moyennes et des fluctuations turbulentes ont montré que les propriétés de l’écoulement changent notablement selon que les écoulements sont émergés ou faiblement submergés. Les interactions entre le détachement tourbillonnaire, la surface libre, les obstacles et la rugosité de fond sont étudiées.La partie numérique analyse différents types de modélisation classiquement utilisés pour simuler des événements de crue. Le cas expérimental de la première partie de thèse sert de référence.D'abord, un modèle analytique basé sur l’écriture du bilan de quantité de mouvement au niveau d’un volume hydraulique élémentaire permet de considérer différentes modélisations de la résistance globale à l’écoulement d'obstacles en régime uniforme. Un premier modèle simple intègre la résistance à l’écoulement du au frottement de fond et aux obstacles dans un même terme de type « frottement~». Un second modèle décompose en deux parties la résistance à l’écoulement~: un frottement de fond et une résistance due aux obstacles représentée par un terme de traînée. L’obstruction à l’écoulement sera alors représentée par un terme de porosité.L’analyse porte sur la pertinence d’utiliser les coefficients de frottement ou de traînée calibrés pour l’écoulement avec le plus faible débit pour simuler des écoulements à fort débit et en particulier la transition de l’émergence à la submergence des obstacles.Ensuite, les obstacles seront représentés explicitement dans le cadre d’un modèle « Saint-Venant » bidimensionnel. La convergence en maillage est étudiée et une analyse comparative des résultats expérimentaux et simulés est menée. De plus,L’influence de la répartition géométrique des obstacles sur le profil vertical de la vitesse moyenne longitudinale est étudiée avec une modélisation 3D-LES utilisant Code_Saturne. Les résultats expérimentaux serviront de cas de référence pour la validation.Au terme de cette seconde partie de thèse, des recommandations seront émises pour modéliser de façon pertinente ces écoulements au regard d’objectifs opérationnels
According to the Ministry of Ecological and Solidarity Transition, floods are the main natural risk in France. As a result of climate change, extreme floods will become more frequent. People and property, such as housing and industrial installations, must therefore be protected against these floods for which data are very scarce or even non-existent. When moving from low to extreme flooding, the spatial extent of flooding in the floodplain varies greatly. The nature of the obstacles encountered varies: low vegetation, trees, houses... These hydraulic obstacles or macro-roughnesses can be emerged, or slightly submerged.The purpose of this thesis work is to analyze the dominant physical processes associated with extreme flood flows in the presence of emerged or slightly submerged obstacles. This thesis is organized in two parts: an experimental part and a numerical part.The experimental part concerns the exploration, in a laboratory channel, of the vertical structure of the velocity profile and the geometric effects related to the studied configuration representing an urbanized floodplain with immersion rates of (dollar symbol) D/h = 0.42, 0.93, 0.98(dollar symbol) and (dollar symbol)1.48(dollar symbol) ((dollar symbol) D(dollar symbol) being the water depth and (dollar symbol)h(dollar symbol) the obstacle height). ADV and PIV measurements of mean velocities and turbulent fluctuations have shown that flow properties change significantly depending on whether the obstacles are emerged or slightly submerged. The interactions between vortex detachment, the free surface, obstacles, and bottom roughness are studied.The numerical part analyses different types of modelling conventionally used to simulate flood events. The experimental case of the thesis serves as a reference.First, an analytical model based on the conservation of momentum of an elementary hydraulic volume allows considering different models of the overall flow resistance to obstacles in a uniform regime. The first simple model integrates the resistance to flow due to bottom friction and obstacles in a single "friction" type term. A second model divides the flow resistance into two parts: a bottom friction term and an obstacle resistance, represented by a drag coefficient. The obstruction to the flow is then represented by a porosity coefficient.The analysis focuses on the ability to use friction or drag coefficients calibrated for the lowest flow rates to simulate high flow rates, and in particular, the transition from emergent to submergent obstacle flows.Then, the obstacles are explicitly represented in a two-dimensional Shallow-Water model. Mesh convergence is studied and a comparative analysis of experimental and simulated results is conducted.Furthermore, the ingluence of the geometric distribution of obstacles on the vertical profile of the average longitudinal velocity is studied with 3D-LES model using Code_Saturne. The experimental results serve as a reference case for validation.Recommendations are made for how to model these flows for operational applications

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Zaouali, Sahbi. "Structure et modélisation d'écoulements à surface libre dans des canaux de rugosité inhomogène." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2008. http://oatao.univ-toulouse.fr/7702/1/zaouali.pdf.

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Abstract:

Cette thèse développe une analyse expérimentale et numérique de la structure d'un écoulement turbulent pleinement développé, dans un canal rectangulaire à ciel ouvert dont le fond présente un fort contraste transversal de rugosité. La rugosité est créée par des barrettes parallélépipédiques collées, à espaces réguliers, sur la zone centrale du canal, les parties latérales étant lisses. Les mesures par Anémométrie Laser Doppler à deux composantes ont conduit à une description détaillée des champs du tenseur de Reynolds et de vitesses moyennes, et notamment des écoulements secondaires. Après avoir déterminer l'évolution transversale de la fonction de rugosité, de la position de l'origine de la loi logarithmique et du frottement pariétal, on a analysé et interprété les lois de similitude des composantes du tenseur de Reynolds dans la zone de paroi et sous la surface libre. La simulation numérique exige la mise en œuvre de modèles du tenseur de Reynolds capables de restituer l'anisotropie de la turbulence et son amplification près de la paroi et de la surface libre. Après une étude comparative de plusieurs modèles, nous avons adapté une version algébrique du modèle de Gibson et Rodi (1989). L'analyse des prédictions du modèle dans des configurations de référence, tel que l'expérience de Hinze (1973) et nos mesures, montre qu'il simule correctement l'évolution transversale et verticale des profils des contraintes turbulentes ainsi que la structure des écoulements secondaires. Ce modèle est exploité pour proposer de nouvelles fermetures sur le frottement à la paroi et les termes dispersifs, liés au transport advectif, des modèles intégrés de saint venant.

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Darbani, Mohsen. "Approche sans maillage basée sur la Méthode des Eléments Naturels (NEM), pour les écoulements bidimensionnels à surface libre." Compiègne, 2009. http://www.theses.fr/2009COMP1851.

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Abstract:

La résolution des équations à surface libre est souvent confrontée à des difficultés numériques liées à une trop forte distorsion du maillage, comme c’est le cas lors de rupture de barrage ou de déferlement de vagues. Dans ce travail on se propose d’appliquer une technique sans maillage basée sur la Méthode des Eléments Naturels pour simuler l’écoulement en 2D d’un fluide en présence de forts gradients. Les équations considérées sont celles de Saint-Venant transitoires où l’on tient compte des termes non-linéaires et de la force de Coriolis. Afin d’optimiser les temps de calcul et d’éviter des appels à des algorithmes de type Newton-Raphson, une technique purement Lagrangienne a été utilisée pour traiter les termes non-linéaires. Cependant la gestion des conditions aux limites demeure une difficulté majeure. Nous avons donc défini un domaine géométrique assez mince aux voisinages immédiats des frontières, et un domaine de calcul qui sera enrichi au fur et à mesure que des particules quittent le domaine de calcul
Solving equation with free surface often encounters numerical difficulties related to excessive mesh distortion as is the case of dambreak or breaking waves. In this work we explore the meshfree technique based on the Natural Element Method(NEM) to simulate the 2D fluid flow in presence of strong gradients. The equations considered here are those of Saint-Venant shallow water where we consider the full non-linear equations, with a transient flow under the Coriolis effect. The nonlinear terms are computed by using a Lagrangian technique based on the method of the characteristics. This will allow us to avoid setting up a numerical algorithm, like Newton-Raphson’s, which tend to extend the computing time. However, the management of boundary conditions remains a major difficulty in meshless methods. We have therefore defined a thin geometrical domain close to the boundaries and a domain for computing that will be submitted to nodal enrichment, when the particles leave the computational domain

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Verdier-Bonnet, Claire. "Modélisation des écoulements côtiers stratifiés à surface libre et paramétrisation de la turbulence : application à la dissémination larvaire." Aix-Marseille 2, 1996. http://www.theses.fr/1996AIX22103.

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Abstract:

Des processus cotiers de temps caracteristiques compris entre une heure et quelques jours, tels que les ecoulements crees par le vent, la maree ou les gradients horizontaux de densite, sont etudies a l'aide du modele ocke3d. Celui-ci resout les equations de navier-stokes ecrites en moyennes de reynolds sous l'approximation de boussinesq, pour un ecoulement incompressible, sans faire l'hypothese hydrostatique. Le modele de fermeture est du premier ordre a deux equations supplementaires adaptees aux ecoulements stratifies. Il est corrige pour prendre en compte les effets non isotropes du mouvement turbulent lies a la stratification, a la force de coriolis et aux petites profondeurs. Pour les ecoulements de type upwelling cotier, on observe que seuls les effets lies aux petites profondeurs peuvent modifier de facon significative l'ecoulement moyen. Une etude complete des effets non-lineaires dus a la variation du coefficient de viscosite turbulente ou encore a la prise en compte du frottement sur le fond a ete effectuee pour les ecoulements suivants: maree se propageant au-dessus d'un fond plat rugueux et action simultanee de la maree et du vent. On a mis ainsi en evidence que les effets non-lineaires engendraient un transfert d'energie de l'onde fondamentale vers les premieres harmoniques et couplaient l'action du vent et de la maree. Le modele a enfin permis de representer les courants en baie de banyuls crees par la circulation liguro-provencale au large et par des vents de forte intensite. Un modele de suivi de particules utilisant les vitesses calculees par le code ocke3d a servi a determiner le taux de perte larvaire par transport advectif en baie de banyuls pendant la phase pelagique de l'organisme meroplanctonique owenia fusiformis polychaeta. On a mis en evidence et quantifie l'influence importante des conditions de vent sur le recrutement larvaire

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Rocha, da silva Luisa Alexandra. "Écoulements viscoélastiques et compressibles avec application à la simulation 3D de l'injection de polymères." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2004. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00001274.

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Abstract:

Ce travail concerne la simulation d'écoulements viscoélastiques compressibles appliquée à l'injection de polymères. La compressibilité est intégrée dans Rem3D en supposant que la densité du matériau suit une loi d'évolution du type loi de Tait. La conservation de la masse est écrite comme une équation en vitesse, pression et température, à travers des coefficients de compressibilité isotherme et de dilatation isobare. Le système obtenu est désigné "Stokes compressible" et sa résolution numérique est faite par la méthode des éléments finis mixtes. Le système obtenu est non-linéaire et non-symétrique. Le couplage thermique et l'extension à des problèmes avec surface libre sont aussi considérés. Le modèle viscoélastique choisi est le modèle Pom-Pom, issu de la dynamique moléculaire. L'extra-contrainte est fonction des propriétés microscopiques du matériau, comme l'orientation moléculaire et son étirement. L'élasticité est vue comme une perturbation dans le problème mécanique, et une méthode de stabilisation du type DEVSS est utilisée. L'orientation et l'étirement sont déterminés par la résolution de deux équations d'évolution via une méthode espace-temps Galerkin discontinu. Finalement, la thermoviscoélasticité est abordée brièvement. Dans le contexte de l'injection de polymères, REM3D couvre aujourd'hui toutes les phases du procédé. Néanmoins, la solidification et la transition liquide-solide sont approximées par un comportement du type liquide de très haute viscosité. L'introduction de la compressibilité permet de compenser le retrait du matériau par un apport supplémentaire de matière. D'un autre côté, la prise en compte d'un comportement viscoélastique détecte d'éventuelles anisotropies des propriétés de la pièce injectée. Les diverses comparaisons des résultats obtenus avec la littérature et l'expérience montre une bonne concordance, validant les modèles implémentés.

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Gutiérrez-Matus, Pablo. "Effets induits en surface par un écoulement turbulent." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2013. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00921954.

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Abstract:

Nous nous intéressons aux effets en surface induits par un écoulement turbulent, en utilisant une approche expérimentale. Nous étudions un écoulement turbulent de faible épaisseur avec une surface libre. L'écoulement est produit dans un métal liquide à l'aide d'une force électromagnétique. Il présente des tourbillons, des bandes de cisaillement et des ondes, dépendent des conditions de forçage. Trois aspects ont été considérées: la déformation de surface engendré par la turbulence; les effets de la turbulence sur la propagation des ondes; et les effets de la turbulence sur des particules qui flottent à la surface. Concernant la déformation de surface : à mesure que l'on augmente l'intensité du forçage, l'écart type de la déformation augmente de façon linéaire, jusqu'à atteindre le 10% de l'épaisseur du fluide. Les déformations extrêmes peuvent atteindre la moitié de l'épaisseur. A faible forçage, la déformation de surface est principalement liée à la présence des tourbillons, impliquant une distribution de l'hauteur avec un facteur d'asymétrie négatif. Cette observation contraste avec la turbulence d'onde, où une asymétrie est aussi observée, mais avec un facteur d'asymétrie positif, notamment à cause des crêtes pointues dans les ondes de gravité. Le spectre en fréquence de la déformation présente une loi de puissance avec un exposant -5, similaire au spectre de singularité de Phillips. Ainsi, nous avons présenté les empreintes statistiques des tourbillons. Deuxièmement, nous avons considéré un autre aspect de la relation onde-écoulement turbulent : nous avons induit mécaniquement des ondes monochromatiques à la surface de l'écoulement. Lorsque l'écoulement deviens plus intense, nous avons mesure la décroissance et l'élargissement du mode associé à l'onde. Nous avons calculé une moyenne cohérente que souligne l'onde para rapport aux fluctuations turbulentes. Ceci nous permet d'observer la décroissance spatial de l'onde lorsque l'écoulement deviens plus intense. Ces analyses nous ont permit de quantifier une augmentation de l'atténuation des ondes à cause de la turbulence. Si l'on considère des particules qui flottent à la surface du liquide, on s'aperçoit qu'elles ont tendance à former des amas. Ce phénomène est confirmé par une analyse statistique des aires définies par la position des trois particules voisines. Ce faisant, on peut identifier clairement les particules qui appartiennent aux amas. De plus, ces particules présentent une corrélation très forte des vitesses et d'orientation angulaire. Plusieurs mécanismes physiques peuvent induire cette formation des amas: (i) l'inertie des particules ; (ii) des mouvements verticaux secondaires et ; (iii) la déformation de surface. Nous avons construit des quantités pour corréler les effets de concentration de particules avec ses mécanismes. Les corrélations plus importantes sont celles que concernent les mouvements verticaux secondaires, qui l'on interprète comme le mécanisme responsable des effets de concentration.

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Ba, Malick. "Contribution au calcul des écoulements autour de corps minces en dérapage perçant la surface libre par une méthode de surface portante avec singularités de Kelvin." Poitiers, 1990. http://www.theses.fr/1990POIT2260.

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Abstract:

Notre travail concerne l'ecoulement portant a un nombre de froude quelconque induit par la mise en derapage d'une derive de voilier, isolee et percant la surface libre. Nous avons developpe un modele de surface portante avec des doublets de kelvin, permettant de mieux connaitre l'influence de la forme en plan et de l'angle de fleche de la derive. Une discretisation basee sur la vortex-lattice-method classique en aerodynamique nous a conduit au calcul des efforts et de la deformee de surface libre pour un nombre de froude quelconque. Pour valider notre modele, nos resultats sont compares a des mesures experimentales d'efforts, effectuees en tunnel et en bassin, et a des calculs obtenus par d'autres methodes. Des comparaisons sont faites en outre sur des deformees de surface libre (calculs ou essais). Cette etude a montre que, meme si l'elevation de la surface libre n'est pas faible, l'ecriture des conditions aux limites sur le plan de cette surface au repos donne des resultats satisfaisants bien que nous ne prenions pas en compte l'epaisseur de la derive. Dans le cas du modele de la ligne portante, nous avons obtenu par la methode des multiplicateurs de lagrange, et pour chaque nombre de froude, une expression explicite d'une forme en plan minimisant la trainee pour une force laterale et un allongement donnes. Une derive ayant la forme en plan calculee s'est averee conduire a une reduction de trainee

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Ramanakoto, Toky Nandrasana. "Contribution à l'étude expérimentale des écoulements à surface libre : application à l'interaction de sillages et à l'écoulement dans un sluice artisanal." Thesis, Le Havre, 2014. http://www.theses.fr/2014LEHA0012/document.

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Abstract:

ALe travail réalisé dans le cadre de cette thèse en co-tutelle est à cheval entre deux domaines d’étude de l’interférence de sillage d’obstacle non profilé (soit un cylindre ou deux cylindres en tandem) et celle des zones de recirculations dans un sluice artisanal (un appareil de tri d’or). Notre étude contribue à l’étude des écoulements à surface libre par combinaison de quelques méthodes expérimentales. Nous avons couplé quelques techniques entre autres la visualisation de la topologie du sillage proche par la caméra CCD embarquée, les mesures des champs de vitesse par PIV et des efforts hydrodynamiques. Ainsi, le cylindre animé d’un mouvement uniformément accéléré/décéléré est caractérisé par les forces de traînée et de portance, les enveloppes des maximas, la longueur de le zone de recirculation et le nombre de Strouhal local. Dont ce dernier a une valeur avoisinant de 0.4 près de la surface libre. Et entre deux pics de la portance, le déferlement de la vague d’accompagnement est observable. L’interférence entre deux structures est simulée à travers deux cylindres et que sur une configuration symétrique, le paramètre de proximité B a tendance à accroître la longueur de la zone de recirculation. Les méthodes et dispositifs expérimentales décrites ci-dessus sont appliqués dans le cas d’écoulement hydrodynamique turbulent au sein du sluice. Les essais sur sites aurifères à Madagascar ont permis la collecte des informations sur les paramètres optimums du tri. Ces paramètres sont pris comme base initiale des travaux de laboratoire entamés sur une maquette à l’échelle 1. L’acquisition par PIV suivi des traitements statistique à multi-variables POD Snapshot nous a permis de créer un modèle expérimental de l’écoulement composé de 4 zones distinctes. L’étude expérimentale a été complétée par une simulation numérique par ANSYS14.5 ; qui nous a permis de conclure que l’approchement des riffles entraîne une diminution de la zone favorable du dépôt des minerais lourds
Two major areas are focused in the thesis. The first investigates the interference due to a wake-pattern of non-profiled obstacles (such as one or two cylinder in tandem). The second characterizes the zone of recirculation inside an artisanal sluice-boxe, which is a device for gold extraction. The work contributes to the study of the flow of a free-surface using experimental methods. Also, a few approaches is combined for the investigation. In this regard, the near-wake pattern of the flow is examined using an embedded CCD camera, correlated to a PIV measurement of the velocity fields and the hydrodynamic forces. We found that a cylinder of uniform motion, accelerated or decelerated, is characterized by: the drag and the lift forces, the envelopes of maxima, the length of the recirculation zone and the local Strouhal number. The Strouhal number approaches the value of 0.4 next to a free-surface and a breaking wave is observed in-between two peaks of the lift force. We modeled the interference between two structures using a succession of two cylinders. The proximity parameter B tends to an increase of the recirculation length for a symmetrical arrangement.Our methods and the experimental procedures are applied for the examination of a turbulent hydrodynamic flow inside a sluice. Tests were performed on gold sites in Madagascar. This permitted the collection of information concerning the optimum parameters for an extraction. The obtained values form the basis of our laboratory work and are applied to a scaled model for validation. An experimental flow model, made of four distinct zones, is derived from a monitored PIV data and a statistical analysis of a multi-variable POD snapshot. The results are validated through simulations using the package ANSYS 14.5. The investigation shows that a closer riffles reduces the region for heavy minerals deposition

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Zokagoa, Jean-Marie. "Modélisation numérique des écoulements à surface libre avec bancs couvrants-découvrants par les volumes finis et la décomposition orthogonale aux valeurs propres." Mémoire, École de technologie supérieure, 2011. http://espace.etsmtl.ca/947/1/ZOKAGOA_Jean%2DMarie.pdf.

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Abstract:

Les inondations causées par les ruptures de barrages, les crues et les tsunamis sont d’une violence de plus en plus accrue et il importe de considérer avec plus d’attention les études relatives à la protection contre ce fléau. Les mesures préventives contre les inondations consistent généralement en des actions sur les cours d’eau à travers la canalisation des débits, en des aménagements tels que les digues de protection, les barrages écrêteurs de crues ou les canalisations d’évacuation. La mise en oeuvre de telles mesures de protection nécessite l’intervention de l’hydraulicien dans la modélisation et la prédiction de la dynamique des écoulements caractérisant les inondations. L’objectif principal de cette thèse est de proposer un modèle numérique explicite de simulation des écoulements à surface libre en général et des inondations en particulier et de construire un modèle numérique d’ordre réduit subséquent pour des calculs accélérés. Cet objectif est atteint à travers la discrétisation des équations d’eaux peu profondes par les volumes finis et la réduction des équations discrétisées par projection de Galerkin sur des bases obtenues par la technique de décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Le modèle numérique aux volumes finis est adapté à la simulation adéquate des bancs couvrants et découvrants qui représentent des phénomènes caractérisant les écoulements d’inondation. Leur prise en compte sur des bathymétries réelles fortement irrégulières est restée longtemps un défi. En effet les bancs couvrants et découvrants se manifestent par le mouvement des interfaces entre le mouillé et le sec. Ces zones de discontinuité où le niveau tend à s’annuler peuvent être internes (apparition d’îlots) ou externes et leur traitement est très souvent source d’instabilités numériques pouvant se traduire par une génération d’hauteurs d’eau négatives ou de vitesses irréalistes. Dans cette étude, les équations de Saint-Venant sont considérées dans leur forme de base de sorte à éviter l’intégration du terme source de géométrie. Ce terme est obtenu dans la démarche courante par éclatement du terme englobant les forces de gravité (car ne respectant pas la forme divergente stricte) en un terme de pression et en un terme source de variation de la géométrie. Il est proposé une approximation locale du terme source de gravité de sorte à en obtenir une forme divergente permettant de l’inclure dans le flux d’interface. Un schéma de Lax-Friedrichs avec un terme de dissipation artificielle est utilisé pour le calcul des flux aux interfaces. Le calcul du flux est adapté selon la nature sèche ou mouillée de la cellule courante. La technique de correction locale de la surface libre est utilisée afin de palier la création d’un gradient de niveau d’eau au voisinage des zones sèches, phénomène responsable de flux non-physiques et d’instabilités numériques. Cette technique permet de conserver la condition du fluide au repos ou la C-property. En outre, les calculs symétriques aux interfaces assurent au modèle la conservation globale de la masse. La construction d’un modèle d’ordre réduit de simulation des écoulements à surface libre répond à la nécessité d’accélération des calculs pour la prise en compte des incertitudes liées aux paramètres physiques utilisés. En effet, les paramètres tels que la bathymétrie, le débit, le coefficient de frottement régissant les écoulements réels ne peuvent être saisis avec précision du fait de leur variabilité naturelle. Dans une gestion efficace des risques d’inondation, des calculs répétitifs doivent prendre en compte les incertitudes sur ces paramètres physiques et ce à travers une analyse probabiliste. Cette démarche peut être très coûteuse en temps de calculs lorsqu’un modèle explicite avec plusieurs milliers de degrés de liberté est utilisé. Le modèle d’ordre réduit (ROM) proposé est basé essentiellement sur la réduction du schéma aux volumes finis à travers la projection de Galerkin des équations discrétisées. Les équations sont projetées sur un sous-espace engendré par des bases obtenues par la décomposition orthogonale aux valeurs propres des matrices des snapshots des variables d’intérêt. Les matrices des snapshots sont obtenues par stockage d’un certain nombre de solutions numériques du problème étudié durant le temps de simulation. Des approximations des termes non linéaires relatifs au flux de convection et de la vitesse d’onde sont effectuées pour la réalisation d’un modèle réduit effectif. Le coût des calculs avec le ROM dépend essentiellement de la dimension de la base réduite. Le modèle aux volumes finis s’est montré précis et robuste à travers les tests de validation effectués notamment dans la simulation des bancs couvrants et découvrants sur une bathymétrie réelle complexe. Par ailleurs, les résultats obtenus du ROM sont assez proches des résultats issus du modèle aux volumes finis pour la phase de reproduction. Lors de la phase d’exploitation, l’analyse de sensibilité a montré que pour des perturbations raisonnables des conditions et paramètres initiaux (moins de 50% pour le niveau d’eau initial), le ROM simule de façon concluante chaque nouveau scénario. Les résultats restent satisfaisants et le temps de calcul très appréciable relativement au schéma volumes finis. Il ressort en définitive que le modèle d’ordre réduit ici proposé peut être d’une aide précieuse à l’ingénieur pour la simulation d’écoulements hypothétiques et éventuellement la définition de cartes d’inondation.

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Anda, Ondo Diemer. "Modélisation et analyse des systèmes à paramètres distribués non linéaires par la méthode de Boltzmann sur réseau : application aux écoulements à surface libre." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00860782.

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Abstract:

Nous étudions dans cette thèse, composée de deux parties, la modélisation des écoulements en eaux peu profondes par la méthode de Boltzmann sur réseau et l'analyse des propriétés de commandabilité et d'observabilité des modèles obtenus. Dans la première partie, nous nous consacrons d'abord à la modélisation par la méthode de Boltzmann sur réseau des équations de Saint-Venant. En utilisant une linéarisation autour d'un profil d'équilibre, une représentation sous forme d'état des modèles de Boltzmann sur réseau est définie. Cette représentation incorpore les termes de force, et permet une définition complète des entrées (commandes) et des sorties (mesures). Nous représentons ensuite les phénomènes de sédimentation dans les écoulements en eaux peu profondes avec la méthode de Boltzmann sur réseau. Ce modèle défini en une dimension est validé numériquement en le comparant avec un modèle de volumes finis qui résout les équations de Saint-Venant-Exner. Le modèle LB défini est moins gourmand en temps de calcul et plus facile à manipuler que les modèles traditionnels. Dans la deuxième partie, nous traitons de l'analyse des propriétés de commandabilit é et d'observabilité des modèles LB obtenus. La première analyse est faite sur les critères algébriques de Kalmann et permet d'établir la non conservation des propriétés de commandabilité et d'observabilité lorsque l'ordre de réduction du système est augmenté. Une analyse plus approfondie basée sur la détermination les grammiens de commandabilit é et d'observabilité montre également que le constat reste valide pour les méthodes de discrétisation classique. La résolution des grammiens est faite avec des méthodes particulièrement adaptées aux structures creuses et de grande dimension que sont les matrices de la dynamique, de commande et/ou d'observation des modèles LB. Enfin, nous établissons que pour une commande aux frontières classique des canaux d'irrigation en débit et hauteur, la famille de systèmes des modèles LB d'ordre réduit n'est pas uniformément commandable alors qu'avec l'utilisation des variables de scattering comme variables de commande, cette famille devient uniformément commandable.

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Debiane, Khaled. "Hydraulique des écoulements laminaires à surface libre dans un canal pour des milieux visqueux ou viscoplastiques : régimes uniforme, graduellement varié, et rupture de barrage." Université Joseph Fourier (Grenoble), 2000. http://www.theses.fr/2000GRE10199.

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Abstract:

Ce travail fournit des resultats sur les ecoulements gravitaires a surface libre en regime laminaire des fluides visqueux ou viscoplastiques. Il est base a la fois sur l'hydraulique classique et sur le comportement viscoplastique des materiaux consideres. Des fluides modeles d'aspect proche des materiaux bruts ont ete selectionnes, puis soigneusement prepares, et caracterises ensuite. D'autre part, sur deux plate-formes nous avons etudie l'ecoulement uniforme, l'ecoulement graduellement varie et le probleme de rupture de barrage. En ecoulement uniforme, notre etude reprend la similitude entre cet ecoulement et l'ecoulement dans les conduites en regime etabli. L'idee de separer les effets visqueux des effets plastiques a permis de representer d'une maniere rationnelle les solutions analytiques de la litterature et aussi d'evaluer : le coefficient de perte de charge dans une section de forme quelconque, et le profil de vitesse dans le plan de symetrie d'une section rectangulaire. Les resultats theoriques sont comparables a ceux des experiences effectuees. En ecoulement graduellement varie, il n'est pas possible en general de se contenter d'une simple extension de l'hydraulique classique. Nous montrons le role du nombre de froude dans le coefficient de perte de charge, et nous confirmons l'interet d'une analyse recente ou la specificite du comportement plastique est bien prise en compte. Dans le probleme de rupture de barrage, les approches theoriques tenant compte de l'inertie, des dissipations visqueuses, de la pente du canal et de la plasticite, sont etablies, comparees et confirmees. En outre, dans les canaux lisses, le phenomene de glissement a ete identifie, et modelise ensuite sur des fluides viscoplastiques.

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Hamroun, Boussad. "Approche hamiltonienne à ports pour la modélisation, la réduction et la commande des systèmes non linéaires à paramètres distribués : application aux écoulements à surface libre." Grenoble INPG, 2009. http://www.theses.fr/2009INPG0119.

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Abstract:

Une formulation hamiltonienne à ports des écoulements unidimensionnels à surface libre modélisés par les équations de Saint-Venant a été proposée. Des propriétés intéressantes telles que la passivité et la conservation d'énergie découlent naturellement de cette formulation. En utilisant des méthodes de réduction type éléments finis mixtes un modèle hamiltonien à port réduit à été obtenu. Cette réduction dites géométrique à permis de conserver les propriétés dynamiques qualitatives du modèle d'origine. On a montré aussi que le modèle réduit possède des propriétés spectrales et entrées-sorties proches du modèle d’origine. Des lois de commande, permettant de réguler le débit et la hauteur d’eau, ont été synthétisées sur le modèle réduit en utilisant la méthode IDA-PBC et de modelage d’énergie. L’approche de modelage d’énergie à été généralisée sur le modèle en dimension infinie. Des résultats de simulation ainsi que des résultats expérimentaux obtenus sur un micro-canal expérimental ont permis de valider les lois de commande
A port hamiltonian formulation for shallow water equations is given. It exhibits trivially some interesting properties like passivity and energy conservation. Using a geometric reduction scheme based on mixed finite elements methods, a reduced port hamiltonian model was derived. This reduction preserves the dynamical qualitative properties of the original model. We show that the reduced port Hamiltonian model exhibits interesting spectral and input-output properties which converge two those of infinite dimensional model. A control algorithm which allows regulating the flow and water level are designed using the IDA-PBC and energy shaping method. The energy shaping method was generalized to the infinite dimensional model. Simulation results and an experimental validation of the control algorithm on a micro-canal platform are presented showing the effectiveness of the control law

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Cathala, Mathieu. "Problématiques d'analyse numérique et de modélisation pour écoulements de fluides environnementaux." Phd thesis, Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00874928.

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Abstract:

Ce travail s'inscrit dans l'étude mathématique d'écoulements de fluides environnementaux. Nous en abordons deux aspects, à travers deux contextes distincts d'application.En lien avec la simulation des écoulements en milieux poreux, on s'intéresse dans une première partie à la discrétisation d'opérateurs de diffusion anisotropes hétérogènes par des méthodes de volumes finis sur des maillages généraux. Dans le but d'obtenir des solutions approchées qui respectent les bornes physiques des modèles, notre attention se porte sur la conservation du principe du maximum pour les opérateurs elliptiques. Nous présentons des mécanismes généraux permettant de corriger tout schéma volumes finis afin de garantir un principe du maximum discret tout en préservant certaines de ses propriétés principales. On étudie en particulier les propriétés de coercivité et de convergence des schémas corrigés.La deuxième partie est consacrée à la construction de modèles approchés pour la propagation des vagues en eaux peu profondes et sur des topographies irrégulières. A cet effet, nous proposons tout d'abord une adaptation de la démarche d'étude classique à des écoulements bidimensionnels sur des topographies polygonales. Dans un cadre plus général, nous développons ensuite une démarche formelle qui débouche sur des alternatives non locales à quelques modèles classiques (équations de Saint-Venant, équations de Serre, système de Boussinesq). Ces nouveaux modèles contiennent des termes régularisants pour les contributions du fond.

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Cathala, Mathieu. "Problématiques d’analyse numérique et de modélisation pour écoulements de fluides environnementaux." Thesis, Montpellier 2, 2013. http://www.theses.fr/2013MON20096/document.

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Abstract:

Ce travail s'inscrit dans l'étude mathématique d'écoulements de fluides environnementaux. Nous en abordons deux aspects, à travers deux contextes distincts d'application.En lien avec la simulation des écoulements en milieux poreux, on s'intéresse dans une première partie à la discrétisation d'opérateurs de diffusion anisotropes hétérogènes par des méthodes de volumes finis sur des maillages généraux. Dans le but d'obtenir des solutions approchées qui respectent les bornes physiques des modèles, notre attention se porte sur la conservation du principe du maximum pour les opérateurs elliptiques. Nous présentons des mécanismes généraux permettant de corriger tout schéma volumes finis afin de garantir un principe du maximum discret tout en préservant certaines de ses propriétés principales. On étudie en particulier les propriétés de coercivité et de convergence des schémas corrigés.La deuxième partie est consacrée à la construction de modèles approchés pour la propagation des vagues en eaux peu profondes et sur des topographies irrégulières. A cet effet, nous proposons tout d'abord une adaptation de la démarche d'étude classique à des écoulements bidimensionnels sur des topographies polygonales. Dans un cadre plus général, nous développons ensuite une démarche formelle qui débouche sur des alternatives non locales à quelques modèles classiques (équations de Saint-Venant, équations de Serre, système de Boussinesq). Ces nouveaux modèles contiennent des termes régularisants pour les contributions du fond
This work investigates two research questions associated with environmental flows and their mathematical modeling.The first part is devoted to the development of finite volume methods for anisotropic and heterogeneous diffusion operators arising in models of porous media flows. To ensure that the approximate solutions lie within physical bounds, we aim at maintaining a discrete analogous of the maximum principle for elliptic operators. Starting from any given cell-centered finite volume scheme, we present a general approach to devise non-linear corrections providing a discrete maximum principle while retaining some main properties of the scheme. In particular, we study the coercivity and convergence properties of the modified schemes.The second part of this work focuses on the derivation of approximate models for shallow water wave propagation over rough topographies. In the particular case of one-dimensional polygonal bottom profiles, we first propose an adaptation of the usual derivation method using complex analysis tools. We then develop a formal approach to account for more general topographies. We propose nonlocal alternatives to some classical models (namely Saint-Venant equations, Serre equations and Boussinesq system). All these alternative models only involve smoothing contributions of the bottom

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Wen, Yang. "Experimental and numerical investigations of rotating flows with deformable free surface." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS455.

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Ce travail est une contribution à la compréhension des instabilités dans les écoulements tournants à surface libre déformable. La configuration étudiée est un récipient cylindrique partiellement rempli d'eau ou d'un mélange eau-glycérine, et la rotation est créée par un disque tournant situé au fond du récipient. Ce type d'écoulements est le siège de plusieurs familles d'instabilités en fonction des paramètres (nombres de Froude et de Reynolds, rapport de forme). Ces investigations utilisent des simulations stationnaires et instationnaires à l'aide des deux codes maison ROSE et Sunfluidh en conjonction avec des expériences. L'originalité du travail réside dans la simulation numérique d'écoulements diphasiques avec forte déformation de l'interface et grand rapport de densité, dans l'utilisation de mesures d'élévation de la surface et de vitesse par vélocimétrie Laser-Doppler, et dans la validation croisée entre techniques numériques et expérimentales. L'écoulement de base est tout d'abord décrit en détail. Les solutions stationnaires axisymétriques révèlent la structure de l'écoulement tournant: une région centrale en rotation solide et une cellule toroïdale à sa périphérie, cellule dont l'intensité et la géométries sont caractérisées. Quand on considère des nombres de Reynolds suffisamment grands pour que des couches limites se forment aux parois solides, deux couches supplémentaires apparaissent: une couche interne située au bord de la région centrale, et une couche sous la surface libre qui n'a jamais été décrite auparavant. Cette structuration de l'écoulement s'avère robuste vis-à-vis des changements du nombre de Froude. Des simulations tri-dimensionnelles instationnaires révèlent que l'écoulement moyenné en temps et en espace présente de nombreuses similarités avec les solutions stationnaires axisymétriques, et que la surface reste pratiquement plate alors même que de grosses structures issues d'instabilités tridimensionnelles se sont développées au sein du fluide. Cette approche numérique complète corroborée par des mesures expérimentales de la vitesse apporte des clarifications sur la structure de l'écoulement, qui est comparée aux modèles simplifiés de la littérature. La dynamique de spin-up qui résulte de la mise en rotation d’un fluide à partir du repos est étudiée pour deux configurations, le seau de Newton (Newton's bucket) et l'écoulement à fond tournant. L'élévation de la surface et l'évolution de la vitesse déterminées expérimentalement sont en très bon accord avec les simulations instationnaires axisymétriques. Ces résultats pourront servir de référence (benchmark) pour les simulations instationnaires d'écoulements diphasiques en rotation. Finalement, les ondes de surface tri-dimensionnelles de grande amplitude connues sous le nom de polygônes tournants sont étudiées expérimentalement. Ces ondes sont habituellement observées à grand nombre de Reynolds. En les étudiant en régime plus visqueux, on tente d'élucider le lien entre instabilités de volume et de surface. Par analyse spectrale de la déformation de la surface et par des mesures de vitesses, on montre que la vitesse de phase rapportée à la vitesse du disque est proche de 1/3 pour les polygônes tournants, alors qu'elle est proche de 2/3 pour l'instabilité de volume
This work is a contribution to the understanding of instabilities in rotating flows with deformable free surface. The configuration under study is a cylindrical container partially filled with water or water-glycerin mixture and the rotation is driven by a disk located at the bottom. In such flow, several families of instability patterns can be triggered depending on the flow parameters (Froude and Reynolds numbers and aspect ratio). As a mean of investigation, steady and unsteady simulations are conducted using the two in-house codes ROSE and Sunfluidh, in conjunction with experiments. The novelty lies in two-phase numerical simulations with strongly deformed interface and large density ratio between the phases, in accurate surface height and Laser-Doppler Velocimetry measurements, and in cross validations between numerical and experimental techniques. The base flow is first carefully described. Axisymmetric steady solutions show the structure of the rotating flow: a central solid body rotation and a toroidal flow cell located at the periphery, the intensity and geometry of which are characterized. Focusing on Reynolds numbers large enough so that boundary layers form at solid walls, two additional layers are described: an internal layer at the edge of the central region and a layer under the free surface never reported before. This flow structure is shown to be robust as Froude number is varied. Three-dimensional unsteady simulations reveal that the time and space averaged flow shows many similarities with steady axisymmetric solutions and that the surface remains almost flat even though three-dimensional large structure instabilities have developed in the bulk. Through this full numerical approach corroborated by velocity measurements, the flow structure is thus clarified and compared to the simplified models used in the literature. The transient spin-up dynamics of a fluid from rest are also investigated for two configurations, namely Newton's bucket and the bottom-driven flow. Experimental surface height and velocity evolution are found in very good agreement with axisymmetric unsteady simulations. These results are meant to serve as a benchmark for unsteady rotating two-phase flow simulations. Large amplitude three-dimensional surface deformation waves known as rotating polygons are eventually studied experimentally. These patterns are usually observed at very large Reynolds number. Conducting investigations in more viscous flow regimes, the link between bulk and surface polygon instabilities is tentatively elucidated. Through a spectral analysis of surface deformation and velocity measurements, the phase-velocity to disk speed ratio is found to be close to 1/3 for rotating polygons whereas it is 2/3 for the bulk instability

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Aigle, Pascal. "Stabilisation des talus de déblai par les techniques de drainage - simulation numérique des écoulements tridimentionnels à surface libre - Évaluation de l'augmentation de stabilité par méthode tridimensionnelle à la rupture." Nancy 1, 1989. http://www.theses.fr/1989NAN10037.

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Abstract:

Le but de ce travail est d'analyser les effets du drainage comme moyen de stabilisation des pentes naturelles et artificielles. On propose une méthodologie en deux phases : premièrement, reconstitution par simulation numérique des écoulements tridimensionnels à surface libre créés par les systèmes confortatifs classiques ; puis, calcul de l'équilibre du talus en tenant compte du champ complet des potentiels. L'analyse en rupture circulaire est utilisée à 2 et à 3 dimensions. Des calculs systématiques montrent qu'entre deux ouvrages drainants successifs, le coefficient de sécurité minimum est obtenu pour une rupture cylindrique. La prise en compte d'un écoulement très localisé permet de mettre en évidence l'existence d'un volume critique

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Zavattero, Elodie. "Intégration de modélisation à surface libre dans un système d’aide à la décision : application à la Basse Vallée du Var, France." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019AZUR4004/document.

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Abstract:

Aujourd’hui, les zones côtières concentrent souvent des villes densément peuplées où le développement économique est associé à une rapide urbanisation. Dans de nombreux endroits, les cours d’eau sont intégrés en zone urbaine présentant à la fois des ressources et des risques potentiels. La concurrence croissante entre les activités économiques et l'espace essentiel aux rivières et aux milieux naturels nécessite une gestion intégrée basée sur des outils fiables capables de fournir des informations hydrologiques. La basse vallée du Var, dans le sud de la France, est spécifiquement exposée à une augmentation de l’activité humaine, et les impacts sociaux sur l’environnement deviennent de plus en plus intenses. Par conséquent, le cycle de l’eau est déséquilibré et induit des problèmes liés à l’eau. Pour traiter ces problèmes, les collectivités territoriales ont besoin d’outils d’aide à la décision qui simulent le comportement du bassin versant. Tel est l’objectif du projet AquaVar qui repose sur trois modèles numériques : Mike SHE pour le bassin versant du Var, Mike 21FM pour la rivière, et Feflow pour l’aquifère. Ces travaux de recherches se concentrent sur le modèle des écoulements à surface libre et son intégration au sein de l’outil d’aide à la décision.Les modèles hydrauliques 2D sont fréquemment utilisés car ils fournissent une vision précise des phénomènes physiques en rivière et de l’hydrodynamique durant des événements extrêmes (inondation, sécheresse et pollution accidentelle). Le modèle des écoulements à surface libre 2D est conçu avec le logiciel Mike 21FM en utilisant la méthodologie classique. Il est calibré et validé pour des conditions spécifiques de la basse vallée du Var : hautes eaux au mois de novembre, hautes eaux au printemps dues à la fonte des neiges et basses eaux en été. Le modèle hydraulique peut non seulement être utilisé pour simuler des scénarios d’événements extrêmes, mais il est également capable d’interagir avec le modèle des écoulements souterrains développé avec Feflow. Une interface spécifique est développée pour connecter le Var et son aquifère dans la basse vallée. Elle nécessite cependant une phase de validation afin de précisément simuler les échanges nappe-rivière.De toute évidence, le modèle Mike 21FM est le cœur de l’outil d’aide à la décision. L'hydrodynamique du fleuve dépend de la transformation des précipitations en débit (modélisée par Mike SHE) et du volume d'eau échangé avec l'aquifère (modélisé par Feflow). La dernière partie est consacrée à la construction de l'outil d’aide à la décision avec l'intégration du modèle hydraulique 2D. Ce système de modèles est implémenté dans une interface web et accessible par différents utilisateurs. Cet outil peut être facilement mis à jour en partageant les données de chaque partenaire. Dans le futur, cet outil pourrait intégrer le petit cycle de l'eau (réseaux d’assainissement et d’alimentation en eau potable). Les autorités locales pourraient donc prévoir et contrôler leurs ressources en eau et les risques potentiels
Nowadays, the coastal areas concentrate frequently densely populated cities where economic development is associated to a fast urbanization. In many locations rivers are integrated within the urban areas and present both resources and potential risks. The growing competition between the economic activities and the essential space for the rivers requests an efficient management based on reliable tools able to provide hydrological information. Typically, the Lower Var valley, in south of France, faces to an increase of human activities, and the social impacts on the natural environment have become more and more intensive. Therefore, the water cycle is unbalanced implying water problems. To deal with this issue, local authorities needs a Decision Support System (DSS) tool to simulate the behaviour of water system. This is the objective of the AquaVar research which includes three numerical models: Mike SHE for the Var catchment, Mike 21FM for the Lower Var River, and Feflow for the aquifer. Here, the research is focused on the 2D free surface flow model and its integration in the DSS tool.The 2D hydraulic models represent a meaningful approach that can provide an accurate view on the physical processes within the river and on the hydrodynamics during the extreme events (inundation, drought and accidental pollution). The 2D free surface flow model is designed with Mike 21FM software using common methodology. It is calibrated and validated for the three specific weather conditions in the Lower Var valley: floods which occur in November, spring floods due to snow melting and droughts in summer. Not only the 2D hydraulic model allows to simulate scenarios of inundation and accidental pollutions, but it is also able to exchange water volume with the groundwater model developed with Feflow. A specific interface is developed to connect river and aquifer in the Lower Var valley. It required validation cases to accurately simulate the river-aquifer exchanges.Obviously, Mike 21FM is finally the core of the DSS tool because it is the centre of the modelling system. The hydrodynamics of the river depends on precipitations converted in flow by Mike SHE model, and exchanges water volume with the aquifer modelled by Feflow. The last part of this research is dedicated to the construction of the DSS tool and the integration of the 2D hydraulic model. The modelling system is implemented in a web interface adapted for different types of users. This DSS tool can be easily updated by sharing data from all the stakeholders. In the future, this tool could integrate sewage network and drinking water supply system to consider all the water cycle. Hence, local authorities could forecast and control the water resources and the potential risks

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Mahfoud, Ould Amy. "Modélisation numérique des écoulements et des déformations dans les barrages en terre construits sur des sols mous." Phd thesis, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1990. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00529472.

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Abstract:

Dans le but de mener à bien le dimensionnement des barrages en terre construits sur sols mous, on développe une approche couplant la consolidation des sols et les écoulements à surface libre. Ce modèle de consolidation à surface libre des sols élastiques ou élastoplastiques isotropes ou anisotropes, écrouissables ou non, prend en compte la variabilité ou la constance des principaux paramètres mécaniques et hydrauliques du sol (indice des vides, écrouissage, perméabilités, compressibilités, teneur en eau). Le traitement numérique de ce problème, effectué au niveau du code de calculs par éléments finis CESAR du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, conduit à la résolution de systèmes d'équations différentielles non-linéaires, pour lesquels on propose des algorithmes transitoires itératifs et des éléments finis appropriés du type déplacement et diffusion. L'application du modèle au calcul d'un ouvrage réel, construit et mis en eau par étapes, a permis d'obtenir des résultats encourageants tant du point de vue mécanique que du point de vue hydraulique.

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Ersoy, Mehmet. "Modélisation, analyse mathématique et numérique de divers écoulements compressibles ou incompressibles en couche mince." Phd thesis, Chambéry, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00529392.

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Abstract:

Dans la première partie, on dérive formellement les équations \PFS (\textbf{P}ressurised and \textbf{F}ree \textbf{S}urface) pour les écoulements mixtes en conduite fermée avec variation de géométrie. On écrit l'approximation de ces équations à l'aide d'un solveur VFRoe et d'un solveur cinétique en décentrant les termes sources aux interfaces. En particulier, on propose le décentrement d'un terme de friction, donnée par la loi de Manning-Strickler, en introduisant la notion de \emph{pente dynamique}. Enfin, on construit un schéma bien équilibré préservant les états stationnaires au repos en définissant une matrice à profil stationnaire conçue pour le schéma VFRoe. Suivant cette idée, on construit, en toute généralité, un schéma bien équilibré préservant tous les états stationnaires. Pour traiter les points de transitions (i.e. le changement de type d'écoulement surface libre vers charge et vice et versa), on étend la méthode des \og ondes fantômes\fg~ dans ce contexte et on propose un traitement complètement cinétique. Dans la deuxième partie, on étudie des équations primitives compressibles simplifiées dans le cadre de la modélisation de la dynamique de l'atmosphère. En particulier, on obtient un résultat d'existence de solutions faibles globales en temps en dimension $2$ d'espace. On établit également un résultat de stabilité de solutions faibles pour le modèle en dimension $3$ d'espace. À cet égard, on introduit un changement de variables convenable qui permet de transformer les équations initiales en un modèle plus simple à étudier. Dans la troisième et dernière partie, on présente une courte introduction à la cavitation. En particulier, on rappelle les différents types de cavitation et les modèles mathématiques de Rayleigh-Plesset pour l'étude d'une bulle isolée et un modèle de mélange plus complexe. En vue de modéliser la cavitation dans les conduites fermées, on introduit un modèle à deux couches pour prendre en compte, dans un premier temps, l'effet d'une poche d'air comprimée par la surface libre et les bords de la conduite. En particulier, le système obtenu, à $4$ équations, est généralement non hyperbolique et ses valeurs propres ne sont pas calculables explicitement. On propose alors une approximation numérique basée sur un schéma cinétique mono-couche. Dans le dernier chapitre, on dérive formellement un modèle de transport de sédiments basé sur l'équation de Vlasov couplée à des équations de Navier-Stokes compressibles avec un tenseur de viscosité anisotrope. Ce modèle est ensuite obtenu par le biais de deux analyses asymptotiques.

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Lelievre, Tony. "Analyse mathématique et numérique de modèles pour les matériaux, de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique." Habilitation à diriger des recherches, Université Paris Dauphine - Paris IX, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00392808.

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Abstract:

La première partie du mémoire concerne l'étude de modèles multi-échelles (ou micro-macro) pour les fluides complexes. L'intérêt de ces modèles est d'éviter d'avoir à postuler des lois de comportements phénoménologiques, en couplant une description macroscopique classique (lois de conservations de la quantité de mouvement et de la masse) sur la vitesse et la pression, à des modèles microscopiques pour l'évolution des microstructures dans le fluide, à l'origine du caractère non-newtonien du fluide. La loi de comportement consiste alors à exprimer le tenseur des contraintes en fonction de la conformation des microstructures. Durant la thèse, nous avons obtenu quelques résultats d'existence et de convergence des méthodes numériques utilisées pour ces modèles. Plus récemment, nous proposons une méthode numérique pour coupler des modèles micro-macro (fins mais chers) avec des modèles macroscopiques (plus grossiers, mais beaucoup plus économiques en temps de calcul). Nous analysons par ailleurs une méthode de résolution des équations aux dérivées partielles en grande dimension qui a été proposée dans le contexte de la résolution numérique des modèles à l'échelle microscopique pour les fluides polymériques.

L'essentiel de nos travaux les plus récents sur le sujet concerne le comportement en temps long de ces modèles, avec un double objectif : théoriquement, la compréhension des modèles physiques passe souvent par l'étude de la stabilité des solutions stationnaires, et de la vitesse de convergence vers l'équilibre ; numériquement, la stabilité des schémas en temps long est cruciale, car on utilise typiquement des simulations instationnaires en temps long pour calculer des solutions stationnaires. Nous montrons comment analyser le comportement des modèles micro-macro en temps long, en utilisant des méthodes d'entropie. Cette étude a ensuite permis de comprendre le comportement en temps long de modèles macroscopiques standard (type Oldroyd-B), et de préciser sous quelles conditions les schémas numériques vérifient des propriétés similaires de stabilité en temps long.

La seconde partie du mémoire résume des travaux en simulation moléculaire, à l'échelle quantique, ou à l'échelle de la dynamique moléculaire classique. A l'échelle quantique, nous nous intéressons aux méthodes Quantum Monte Carlo. Il s'agit de méthodes numériques probabilistes pour calculer l'état fondamental d'une molécule (plus petite valeur propre de l'opérateur de Schrödinger à N corps). Essentiellement, il s'agit de donner une interprétation probabiliste du problème par des formules de Feynman-Kac, afin de pouvoir appliquer des méthodes de Monte Carlo (bien adaptées pour des problèmes de ce type, en grande dimension). Nous proposons tout d'abord une étude théorique de la méthode Diffusion Monte Carlo, et notamment
d'un biais introduit par l'interprétation probabiliste (appelé fixed node approximation). Nous analysons ensuite les méthodes numériques utilisées en Diffusion Monte Carlo, et proposons une nouvelle stratégie pour améliorer l'échantillonnage des méthodes Variational Monte Carlo.

En dynamique moléculaire, nous étudions des méthodes numériques pour le calcul de différences d'énergie libre. Les modèles consistent à décrire l'état d'un système par la position (et éventuellement la vitesse) de particules (typiquement les positions des noyaux dans un système moléculaire), qui interagissent au travers d'un potentiel (qui idéalement proviendrait d'un calcul de mécanique quantique pour déterminer l'état fondamental des électrons pour une position donnée des noyaux). L'objectif est de calculer des moyennes par rapport à la mesure de Boltzmann-Gibbs associée à ce potentiel (moyennes dans l'ensemble canonique). Mathématiquement, il s'agit d'un problème d'échantillonnage de mesures métastables (ou multi-modales), en très grande dimension. La particularité de la dynamique moléculaire est que, bien souvent, on a quelques informations sur les "directions de métastabilité" au travers de coordonnées de réaction. En utilisant cette donnée, de nombreuses méthodes ont été proposées pour permettre l'échantillonnage de la mesure de Boltzmann-Gibbs. Dans une série de travaux, nous avons analysé les méthodes basées sur des équations différentielles stochastiques avec contraintes (dont les solutions vivent sur des sous-variétés définies comme des lignes de niveaux de la coordonnée de réaction). Il s'agit en fait d'analyser des méthodes d'échantillonnage de mesures définies sur des sous-variétés de grande dimension. Plus récemment, nous avons étudié des méthodes adaptatives qui ont été proposées pour se débarrasser des métastabilités. Mathématiquement, il s'agit de méthodes d'échantillonnage préférentiel, avec une fonction d'importance qui est calculée au cours de la simulation de manière adaptative. Nous avons étudié la vitesse de convergence vers la mesure d'équilibre pour ces méthodes adaptatives, en utilisant des méthodes d'entropie. Nous avons proposé de nouvelles méthodes numériques à la communauté appliquée pour utiliser au mieux ces idées.

La troisième partie du mémoire résume des travaux issus d'une collaboration avec l'entreprise Rio Tinto (anciennement Pechiney puis Alcan), leader mondial pour la technologie des cuves d'électrolyse de l'aluminium. Cette collaboration a été entamée il y a plusieurs années par C. Le Bris, et notamment au travers de la thèse de J-F. Gerbeau. Mathématiquement, il s'agit d'analyser et de discrétiser les équations de la magnétohydrodynamique pour deux fluides incompressibles non miscibles, séparés par une interface libre. Nous expliquons le contexte industriel et la modélisation, nous résumons la méthode numérique adoptée (méthode Arbitrary Lagrangian Eulerian) et donnons quelques propriétés satisfaites par le schéma (stabilité, conservation de la masse). Nous montrons ensuite comment ce modèle permet d'étudier un phénomène (potentiellement déstabilisant) observé dans les cuves d'électrolyse : le rolling. Ces résultats ont été pour la plupart obtenus durant la thèse.

Plus récemment, dans le prolongement de l'étude industrielle, nous nous sommes intéressés à un problème de modélisation fondamentale pour les écoulements à surface (ou interface) libre: le mouvement de la ligne de contact (i.e. le bord de la surface libre qui glisse le long de la paroi). En résumé, nos travaux consistent essentiellement en deux contributions: (i) une compréhension variationnelle d'une condition aux limites permettant de modéliser correctement le mouvement de la ligne de contact (Generalized Navier Boundary Condition), et son implémentation dans un schéma Arbitrary Lagrangian Eulerian, (ii) une analyse de la stabilité du schéma obtenu.

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Nouri, Nowrouz Mohammad. "Dynamique du tourbillon dans un écoulement potentiel avec surface libre." Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 1995. http://www.theses.fr/1995INPL105N.

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Abstract:

Les études effectuées dans ce mémoire concernent le mouvement de tourbillons dans un champ de vitesses non uniforme, en particulier dans un domaine comportant une surface libre. Dans le premier chapitre, après une brève description des propriétés fondamentales de la vorticité, nous donnons les équations générales régissant le mouvement des zones tourbillonnaires. Après avoir obtenu les équations, nous présentons un algorithme systématique par le calcul analytique basé sur la dynamique de la transformation conforme (algorithme de Legras & Zeitlin 1992). Ensuite nous détaillons quelques exemples ou le champ de vitesses extérieur est non uniforme. Dans le deuxième chapitre, nous développons les équations complètes régissant le mouvement d'une tache de vorticité constante au voisinage d'une surface libre. Dans le cas ou le nombre de Froude est un petit paramètre, nous effectuons une analyse par la méthode des développements asymptotiques. Dans le but d'élargir les études effectuées en chapitre II, nous nous intéressons dans le troisième chapitre à une étude complète du problème d'évolution dans le temps d'un point tourbillon avec conditions non linéaires à la surface libre pour différentes valeurs du nombre de Froude. Pour trouver la solution générale du problème, on utilise un algorithme de calcul numérique. À chaque pas de temps, après avoir calculé les conditions aux limites, l'équation de Laplace est résolue par la méthode des éléments finis. Les résultats obtenus vont être utilisés pour calculer l'évolution de la surface libre et la trajectoire du tourbillon par la méthode de Runge-Kutta d'ordre 4. La méthode des éléments finis utilisée dans ce chapitre est une formulation de type Galerkin. Un algorithme de maillage adaptatif change la discrétisation du domaine de telle sorte que le bord supérieur du maillage coïncide toujours avec la surface libre

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Kuzhir, Pavel. "ECOULEMENT DES FLUIDES MAGNETIQUES DANS DES CAPILLAIRES ET MILIEUX POREUX SOUS L'EFFET D'UN CHAMP MAGNETIQUE." Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 2003. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00008824.

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Abstract:

Le but de ce travail est d'établir les lois de comportement régissant l'écoulement de fluides magnétiques dans des capillaires et des milieux poreux et d'étudier les mécanismes de contrôle de ces écoulements par l'application d'un champ magnétique. Deux types de fluides magnétiques sont utilisés à cet effet: les ferrofluides et les fluides magnétorhéologiques (MR).
Le contrôle de l'écoulement est réalisé par l'effet du champ sur la surface libre ou sur la rhéologie de ces fluides et également par l'intermédiaire des forces magnétiques qui attirent le fluide dans les régions où le champ est le plus fort. On a établi les lois de comportement statique et dynamique de la surface d'un ferrofluide dans un capillaire en présence d'un champ magnétique homogène. Une diminution par un facteur deux du saut de pression sur le ménisque a lieu dans un fort champ longitudinal appliqué suivant l'axe du capillaire. La diminution du saut de pression dans un champ transversal induit un ralentissement de la pénétration capillaire du ferrofluide, ce qui permet de contrôler le temps de remplissage dans une plage de 60%.
On a généralisé le modèle de cisaillement simple d'un fluide MR, avec des agrégats en forme de chaînes, au cas d'un champ magnétique d'orientation quelconque par rapport à l'écoulement. Sur la base de ce modèle on a obtenu la dépendance théorique de la contrainte seuil dynamique en fonction de l'orientation du champ. Cette dépendance est utilisée pour calculer les profils de vitesse et les caractéristiques débit-pression dans des écoulements de Poiseuille d'un fluide MR dans des capillaires et des milieux poreux en présence d'un champ homogène d'orientation quelconque. Les courbes expérimentales débit-pression confirment bien la théorie et indiquent une possibilité d'augmenter la pression de trois ordres de grandeur.
On a appliqué un modèle d' écoulement biphasique pour simuler un blocage de l'écoulement d'un fluide MR dans un capillaire en présence d'une forte inhomogénéité de champ magnétique. Expérimentalement et théoriquement on a montré que la pression de blocage est à peu près 2 fois moins grande que la pression nécessaire pour relancer un écoulement bloqué.
Les résultats de ce travail forment une base théorique pour le développement de systèmes hydrauliques adaptatifs, et plus particulièrement de systèmes de vibroprotection.

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Atwa, Mohamed. "Analyse numérique des écoulements d'eau et de la consolidation des sols autour de tunnels creusés dans l'argile." Phd thesis, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1996. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00523305.

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Abstract:

Cette thèse étudie les écoulements hydrauliques autour des tunnels creusés en terrains aquifères et analyse les déformations induites par la consolidation du massif en présence de sols compressibles. Le mémoire comporte plusieurs synthèses bibliographiques portant sur les problèmes liés aux écoulements hydrauliques vers un ouvrage souterrain, sur les méthodes de calculs existantes pour l'étude de ces écoulements, sur la réponse hydromécanique des massifs de sols au creusement de tunnel (observations de chantiers), sur les techniques proposées pour simuler la construction d'un tunnel par la méthode des éléments finis et sur les approches de calculs développées pour le traitement de la consolidation d'un massif en présence d'une nappe à surface libre. Plusieurs études numériques ont été réalisées à l'aide du progiciel CESAR-LCPC. La méthode des éléments finis a été utilisée pour analyser les écoulements autour de tunnels en conditions bidimensionnelles et tridimensionnelles, en régimes permanent et transitoire. Différentes configurations sont étudiées, considérant un massif indéformable, pour étudier le rôle de lanisotropie de perméabilité des massifs, leur stratification, et le rôle du revêtement de la paroi du tunnel et de différentes dispositions proposées pour atténuer l'effet des écoulements au front en cours de construction. La réponse d'un massif de sols compressibles au creusement d'un tunnel a été analysée par des calculs hydromécaniques couplés et un modèle de comportement élastoplastique adapté aux sols anisotropes MELANIE. Les résultats de calcul sont comparés à ceux obtenus par des analyses drainée et non drainée. L'approche non drainée a, d'autre part, été adoptée pour étudier la réponse des massifs relativement raides à la méthode de creusement par prédécoupage et pour analyser le comportement de la prévoûte au cours des différentes phases de la construction. La thèse présente, de plus, une contribution au développement du code de calcul CESAR-LCPC. La programmation du modèle MELANIE dans CESAR-LCPC a été adaptée pour traiter la variation de la contrainte de préconsolidation et des modules d'élasticité avec la profondeur, et pour actualiser le coefficient de perméabilité du sol en fonction de la variation de l'indice des vides. Une approche est, par ailleurs, proposée pour le traitement de la consolidation en présence d'un niveau piézométrique variable en utilisant les généralisations de Richards (1931) et de Bishop (I960) pour le traitement de l'écoulement et du couplage au-dessus de la surface libre. Cette approche a été programmée dans un nouveau module s'intégrant dans le code CESAR-LCPC et a été appliquée à l'étude de la consolidation d'un massif sous le chargement d'une fondation et suite à la réalisation d'un tunnel. Ce travail s'achève par la modélisation d'un ouvrage instrumenté : le tunnel de Grimsby, creusé dans un massif argileux compressible. Les calculs ont été réalisés avec différentes lois de comportement (MELANIE, élasticité isotrope et anisotrope et élastoplasticité isotrope), et avec différentes hypothèses pour le traitement du couplage au-dessus du niveau piézométrique ; les résultats ont été comparés aux tassements de surface mesurés sur une période de onze ans après la construction.

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Han, Lei. "Recirculation à l’aval de l’élargissement brusque d’un écoulement à surface libre peu profond." Thesis, Lyon, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAL0005/document.

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Abstract:

Le travail présenté ici a pour objet l’étude de la zone de recirculation qui se développe à l’aval d’un élargissement brusque ayant lieu dans un canal à surface libre, avec une attention particulière portée sur la longueur de recirculation. Ce travail consiste en une approche combinée expérimentale et numérique. L’analyse dimensionnelle ainsi que les travaux préliminaires antérieurs à cette thèse montrent que la longueur de recirculation adimensionnée dépend de 3 paramètres que sont : le nombre de frottement S, la hauteur d’eau adimensionnée par la taille de l’élargissement h/d et enfin le rapport géométrique de l’élargissement Rb. Cependant, faire varier dans les expériences S ou h/d sans affecter l’autre paramètre s’avère être une tâche très délicate qui a été négligée dans les études précédentes. En utilisant cette même approche, les résultats présentés ici font état d’une forme de cloche très inattendue de la courbe : L/d= f (S). Ces résultats sont en fort désaccord avec ceux de la littérature. Afin d’améliorer notre approche et de faire varier S et h/d indépendamment, une campagne de modélisation numérique 3D est menée et prouve que L/d dépend en fait des deux paramètres considérés S et h/d et que la forme de cloche résulte des influences opposées de ces deux paramètres. De plus, l’analyse de la couche de mélange qui prend place entre la zone de recirculation et l’écoulement principal, mesurée expérimentalement pour 4 écoulements à différentes valeurs de S et h/d montre que la longueur de la zone de recirculation est gouvernée par le confinement latéral dû à la paroi latérale et à la taille des cellules turbulentes advectée le long de la couche de mélange. Pour aller plus loin, les bilans de quantité de mouvement et d’énergie à l’échelle de l’écoulement dans son ensemble montrent que i) la force de cisaillement exercée le long de la couche de mélange est négligeable par rapport aux autres forces mises en jeu et ii) que la réelle signification de S est de quantifier l’intensité du frottement du fond à l’échelle de l’écoulement global intervenant dans ces bilans. Les différents régimes d’écoulement qui peuvent être rencontrés dépendent donc: i) selon la valeur du nombre de frottement S l’écoulement peut être frictionnel (S élevé) ou non-frictionnel (S faible) et ii) selon la valeur de la hauteur d’eau adimensionnelle, l’écoulement peut être confiné verticalement (faible valeur de h/d) ou non-confiné (forte valeur de h/d). Une corrélation empirique permettant d’estimer la longueur de la zone de recirculation L/d en fonction des paramètres S, Rb and h/d est finalement obtenue. Elle s’avère être en bon accord avec les calculs numériques et les mesures expérimentales
The present research focuses on the recirculation zone developing downstream of an expansion in a shallow open-channel flow with a specific attention on its length. The work consists of combined experimental and numerical approaches. The dimensional analysis and previous studies permit to express the dimensionless recirculation length as a function of 3 parameters: the friction number S, the ratio between the water depth and the expansion step h/d and the geometrical aspect ratio Rb. Nevertheless, varying either S or h/d on the experimental set-up without affecting the other is a complicated task which was not performed by previous studies. Following this approach permitted to obtain an unexpected bell shape for the L/d=f(S) curve, differing form the literature results. In order to improve the approach and vary S and h/d independently, a 3D numerical campaign was performed and proved that L/d actually depends both on S and h/d parameters and that the bell shape is in fact the consequence of the opposite influence of both parameters. Moreover, the precise experimental analysis of themixing layer at the frontier between the main flow and the recirculation for flows with different S and h/d values showed that the recirculation length is governed by the lateral confinement due to the reattachment wall and the size of the eddies present in the mixing layer. Hence, an integral approach is adopted, using balances of momentum and of energy at the whole flow scale, showing: i) that the shear force exerted along the mixing layer is negligible compared to the other forces and ii) that the meaning of S parameter is to quantify the intensity of the bottom friction of the whole flow on these balance. The following regimes can thus be encountered: i) according to the bed friction S values, the flow can be non-frictional (small S) or frictional (large S) and ii) according to the relative water depth, the flow can be vertically unconfined (large h/d) or confined (small h/d). An empirical correlation permitting to estimate the recirculation length L/d as a function of S, Rb and h/d is finally obtained and appears to fairly fit the numerical calculations and experimental measurements

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Heniche, Mourad. "Modélisation tridimensionnelle par éléments finis d'écoulements à surface libre." Compiègne, 1995. http://www.theses.fr/1995COMPD801.

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Abstract:

Le thème de ce travail de recherche est la modélisation d'écoulements à surface libre par éléments finis tridimensionnels. Il s'inscrit dans une stratégie de développement d'un modèle numérique en mesure de reproduire le transport solide sous l'effet de l'hydrodynamique et de prédire ainsi l'évolution de la morphologie des zones côtières et des cours d'eau naturels. L'écoulement dans les estuaires et les zones côtières est souvent de nature tridimensionnelle. La modélisation hydrodynamique implique l'évaluation des champs de vitesse et de la surface libre. De plus, pour les sédimentologistes, le rôle des courants secondaires est très important pour la prédiction de l'érosion. Dans cette étude, nous développons un modèle d'éléments finis pour obtenir l'évolution de la surface libre et le champ de vitesse. Nous employons la notion de super-élément fini, forme de prismes à six nœuds, dans la direction verticale constituant alors une colonne d'eau. La dimension 3D est ainsi représentée par une base bidimensionnelle. La résolution du système d'équations non linéaire est effectuée par la méthode de Newton-Raphson pour les écoulements permanents. Pour les problèmes de grandes tailles (nombre de degrés de liberté supérieur à 50 000) nous utilisons les méthodes itératives. Pour le cas des écoulements non permanents nous utilisons un schéma explicite du second ordre de Lax-Wendroff-Richtmeyer (schéma prédicateur-correcteur) qui offre le double avantage de ne pas stocker de matrice globale et d'éviter l'opération d'inversion. La validation du modèle est effectuée à partir d'un ensemble d'exemples de références provenant de travaux d'autres chercheurs.

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Ville, Laurence. "Modélisation multiphasique et calcul d'interface dans les procédés de mise en œuvre des propergols." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00677696.

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Abstract:

La motivation principale de cette thèse était de pouvoir simuler numériquement les procédés de mise en œuvre des propergols, comme le mélange et le remplissage de Booster. La viscosité de ce type de fluide implique durant la phase de remplissage l'apparition d'oscillations toroïdales caractéristiques du phénomène appelé Fluid Buckling. Ce phénomène est particulièrement difficile à représenter numériquement car l'interface entre le fluide et l'air présente une surface libre dont la complexité augmente avec le temps. C'est pourquoi, c'est cet exemple qui a été choisi pour valider l'efficacité d'une méthode numérique de représentation des surfaces libres. Nous avons pour cela choisit d'implémenter dans la librairie de calcul CimLib une méthode de type Level Set. Celle-ci a pour particularité d'effectuer l'étape de convection et l'étape de réinitialisation, indispensables à ce type de résolution, simultanément. De plus, la fonction distance a été tronquée aux alentours de l'interface à l'aide d'une fonction sinus, obtenant ainsi une fonction niveau sinusoïdale auto-déterminante. La résolution est stabilisée à l'aide d'une méthode de type SUPG. L'implémentation finale de la méthode est facilitée puisque le problème est réduit à une unique équation de convection d'une fonction Level Set Locale. Après une série de tests classiques de validation de méthode de surface libre, notre méthode a donc été validée en 2 et 3 Dimensions en simulant l'apparition du Fluid Buckling. La méthode a ensuite été implémentée dans les deux logiciels de simulation et validée sur des cas tests industriels prédéfinis de remplissage et de mélange. Les défauts obtenus numériquement correspondent à ceux attendus expérimentalement. La méthode est aujourd'hui utilisée pour simuler de nombreux autres procédés et a montré sa robustesse particulièrement dans des procédés multifluides. Afin d'optimiser la visualisation des défauts d'interfaces et de diminuer les temps de calcul, on peut envisager comme suite de ces travaux de recherche l'adaptation du maillage à proximité de l'interface et du pas de temps, le tout de façon automatique.

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Ageorges, ValentIn. "Écoulement et entraînement d’air autour d’un cylindre vertical partiellement immergé." Thesis, Normandie, 2019. http://www.theses.fr/2019NORMLH23.

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Abstract:

L'écoulement autour d'un objet partiellement immergé comme une carène ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caractérisation de cet écoulement est essentielle dans des applications environnementales, ou pour des systèmes d'énergies marines renouvelables. De telles structures sont soumises à des efforts de traînée et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la compréhension des efforts s'exerçant sur des objets partiellement immergés. Notre problématique est simplifiée en considérant une géométrie cylindrique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus en canal, où le cylindre est tracté ainsi que des résultats numériques obtenus à l'aide du code YALES2, basé sur la méthode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immergé et le sillage généré derrière le cylindre est caractérisé par une déformation de la surface libre. L'écoulement derrière le cylindre est gouverné par les nombres de Reynolds et de Froude, caractérisant l'importance des effets inertiels et gravitaires. Ces nombres sans dimension sont définis à l'aide du diamètre du cylindre. La gamme de vitesse balayée et les diamètres utilisés permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'à 240 000, et des nombres de Froude jusqu'à 2.4 correspondant à un sillage turbulent. L'attention est portée sur les fortes déformations de surface libre allant jusqu'à sa rupture et l'entraînement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont été observés : (i) dans la cavité le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique à l'entraînement d'air dans la cavité a été mesurée et son évolution est comparée avec une loi d'échelle proposée par Benusiglio. Nous avons observé l'influence de cet entraînement d'air sur les efforts de traînée grâce à des mesures à l'aide de capteurs piézoélectriques. Nos résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux à des Reynolds et Froude inférieurs et des résultats sans surface libre. Une comparaison avec des résultats numériques est également réalisée. La présence de la surface libre et de l'entraînement d'air dans la cavité entraîne une diminution des efforts de traînée par rapport au cas monophasique. Numériquement, le code utilise une méthode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phénomènes d'entraînement d'air, la déformation de la surface libre et la dynamique de l'écoulement autour du cylindre. Ce travail étend la gamme de paramètres adimensionnels parcourus expérimentalement et numériquement, et met en évidence l'effet de l'entrainement d'air sur les efforts de traînée
The flow past ships or an emerged body such as bridge pilar, is a fundamental, familiar and fascinating sight.Measurements and modelling of this simple flow can have relevance to offshore structures and renewable energy systems. The interaction of such structures with marine environment lead to drag, lift forces and free-surface effects.Our current problem is simplified by considering cylindrical geometry. This work presents experimental results, in which vertical cylinders are translated at constant speed through water initially at rest, and numerical results using YALES2 computing code based on finite volume method. The cylinders are partially immersed, then the motion induces turbulent wake and free-surface deformation. The flow is governed by the Reynolds and Froude numbers defined with cylinder diameter. The explored range of parameters are in the regime of turbulent wake with experiments carried out for Reynolds number up to 240 000, and Froude number up to 2.4. The focus here is on drag force measurements and strong free-surface deformation up to rupture and air-entrainment. Two modes of air-entraiment have been observed: (i) in the wake of the cylinder and (ii) in a cavity along the cylinder wall. Results are as follows. First, a scaling for the critical velocity for air-entrainment in the cavity proportional to D1/5 proposed by Benusiglio is recovered. Secondly, drag coefficients measured by piezoelectric sensors are smaller in two phase flow compared to monophasic case, and air-entrainment in the cavity enhances this decrease. Numerically, YALES2 uses level-set method for the descirption of the free-surface, and is able to reproduce air-entrainment phenomenon, free-surface deformations and flow dynamics around the cylinder. The present work expands the range of dimensionless parameters and highlights free-surface effects on drag forces

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Dissertations / Theses on the topic 'Écoulements surface libre'

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