Article

Three-dimensional Numerical Modelling of Curved open channel using Nonhydrostatic Turbulent Finite Element Solver for free-surface flows.

Source: OAI
0 Bookmarks
 · 
30 Views
  • Source
    [Show abstract] [Hide abstract]
    ABSTRACT: Two major lines of investigation have been pursued in this thesis: (1) More efficient, robust and realistic numerical techniques are designed for the simulation of complex turbulent fluid flows; (2) A new algorithm and its analysis is performed in the context of multiphasic fluid flow, for a cohesive fine-grained sediment (fluid mud) transport in estuaries. Estuaries exist between marine and freshwater system where waters of different physical, chemical and biological composition meet, combine and disperse primarily due to tidal influences. In the present thesis, the behavior of cohesive sediment in estuaries is reviewed based on the existing literature. Basic theories and recent developments are introduced to describe the formation of fluid mud from a very dilute suspension and its motion down a natural river bed with complex bathymetry. The present work contributes to the numerical simulation of complex turbulent multiphasic fluid flows encountered in estuarine channels, with the aim of the better understanding of the underlying physical processes as well as predicting realistically the cohesive sediment transport and bed morphology in such a zone. The model is based on the mass preserving method by using the so-called Raviart-Thomas finite element on the unstructured mesh in the horizontal plane. In the vertical, the computational domain is divided into number of layers at predefined heights and the method uses a conventional conforming P1 finite element scheme, with the advantage that the lowermost and uppermost layers variable height allow a faithful representation of the time-varying bed and free surface, respectively. Concerning the modeling of turbulence, the research effort focuses on the turbulence two-equation k - ε closure for the vertical parameterization of eddy viscosity. More precisely, a robust up-to-date algorithm is used for this issue. The new methodology is developed with the aim to account for more general relevant effects in the closure. The proposed model offers the capability to cope with the stiffness problem introduced by the large difference between the solid phase flow time scale and the hydrodynamic one, by using a sub-cycling strategy, whereas the splitting scheme is adopted with the aim of stability and the positivity of the relevant turbulent variables. The flexibility of the model and its performance are evaluated on several free-surface flow configurations with increasing complexity : homogeneous unsteady non-uniform flows in plane open channel flows, U-shaped (193°) curved open channel flow. Concerning the cohesive sediment transport, most of the existing models in the literature assume the analogous transport characteristics with that of the coarse sediment and adopt the relevant developed sediment transport for the latter to treat the former. Moreover, these existing models do not account for the consolidation of the mud-bed. The present research effort focused on a novel methodology based on the realistic empirical relationships, which accounts for the mutually exclusive processes for re-suspension and/or erosion and deposition of fine sediment, whereas only a limited range of bed shear stresses is allowed for simultaneous erosion and deposition to occur. Hence, on this basis, the new model investigated the bed morphology evolution by taking into account of the fluidization and/or consolidation of the fluid mud, which was handled by modeling the bed in three layers: (i) the mud-bed layer, (ii) the partially consolidated bed and (iii) the fully consolidated bed. The prediction of deposition/re-suspension using these two different methods lead to a non negligible difference in the results. Therefore, investigation of the true mechanism of erosion/deposition processes for cohesive sediments and their implementation in the numerical model is very important. This suggests that a realistic prediction must account for the fresh mud-bed re-suspension once deposited, as well as the consolidation and/or fluidization of the mud-bed deposits. Finally, the capability and improvements of the model are demonstrated, and its predicting performance is successfully evaluated by applying it to the simulation of the Po River Estuary (PRE) in Italy, which is the main source of river water discharge into the Northern Adriatic Sea. The analysis showed that the consolidation/fluidization process at the bed may have important influence on the prediction of bed morphology evolution. The three-layer approach used in this thesis is a first attempt to model these processes in detail within a numerical model. Deux axes principaux de recherche sont poursuivis dans cette thèse : (1) des techniques efficientes, robustes et réalistes sont développées pour la simulation des écoulements de fluides complexes et turbulents ; (2) un nouvel algorithme est développé et analysé dans un contexte d'écoulements multiphasiques, pour la simulation du transport de sédiments cohésifs (liquide vaseux) dans les estuaires, où l'eau chargée de sédiments de la rivière (avec différentes compositions physique, chimique et bilogique) se mélange à l'eau salée de la mer, sous influence de marée. Dans cette thèse, une revue est faite sur le comportement des sédiments de type cohésif dans les estuaires, à partir d'une litérature détaillée. Les théories de base et les récents développements sont introduits pour la description de la formation du liquide vaseux à partir du mélange en suspension et de son mouvement sur le fond du canal de la rivière naturelle avec une bathimétrie complexe. Le travail ci-présent est une contribution à la simulation numérique des écoulements multiphasiques complexes et turbulents que l'on rencontre dans les canaux estuariens dans l'optique d'une meilleure compréhension des processus physiques qui sont à l'origine, et de permettre ainsi des prédictions réalistes du transport de sédiments cohésifs et la formation du lit dans ces zones. Le modèle numérique garanti la conservation de masse et est construit sur la base d'une méthode des éléments finis de type Raviart-Thomas sur une grille non-structurée sur le plan horizontal. Dans la direction verticale, le domaine d'étude est sub-divisé en plusieurs couches prédéfinies et le modèle utilise la méthode conventionnelle des éléments finis de type P1 sur une grille conforme, avec l'avantage que l'épaisseur variable des couches du lit et de la surface libre permet une meilleure réprésentation de la forme du lit et de la surface libre qui varient en fonction du temps. En ce qui concerne la modélisation de la turbulence, les recherches sont focalisées sur le modèle k - ε à deux équations de fermeture, pour la paramétrisation de la composante verticale de la viscosité turbulente. Plus précisement, un algorithme robuste récent est utilisé à cet effet. Une nouvelle méthodologie est proposée dans le but de tenir compte des plus importants aspects généraux qui jalonnent la fermeture. La méthode de sous-cyclage pendant l'intégration temporelle introduite dans le modèle proposé, permet de résourdre le problème de raideur, dû à l'existence d'une large différence entre les échelles caractéristiques de temps. En effet l'échelle caractéristique de temps de la phase solide est généralement très long par rapport à celui de l'hydrodynamique. D'autre part le modèle adopte la méthode d'intégration temporelle à pas fractionnés, afin d'obtenir et de préserver la positivité des variables de la turbulence et d'assurer la stabilité du schéma numérique. La flexibilité et les performances du modèle sont évaluées en l'appliquant pour la simulation des écoulements à surface libre suivant plusieurs configurations de complexités croissantes : les écoulements homogènes, instationnaires et non-uniformes dans les canaux ouverts droits et courbe à 193°. S'agissant du transport de sédiments cohésifs, la plupart des modèles qui existent dans la littérature, utilisent par analogie aux caractéristiques des sédiments de gros grains non-cohésifs, des modèles de transport adaptés à ces derniers pour modeliser des premiers. Par ailleurs ces modèles ne traitent pas de la consolidation de la couche vaseuse du lit du canal. Ce travail de recherche focalise l'attention sur sur une nouvelle méthodologie basée sur le principe d'exclusion mutuelle dans les processus de re-suspension et/ou érosion d'une part, et de déposition d'autre part. Dans ce cas précis, il n'existe qu'une gamme limitée de contraintes de frottement qui permette un processus simultané de déposition et re-suspension. Ainsi donc, en se basant sur ce principe, le nouveau modèle tient compte de la constitution et du comportement du lit en tenant compte de la fluidification et/ou la consolidation du liquide vaseux, et entraîne ainsi la formation de trois couches sur le lit du canal qui sont: (i) la couche fraîche de vase, (ii) la couche partiellement consolidée et (iii) la couche complètement consolidée. La prédiction du processus de déposition/re-suspension sur la base des deux méthodes conduit à une différence non négligeable dans les résultats. Ainsi, l'investigation sur le mécanisme réel des processus d'éposion/érosion des sédiments cohésifs et de leur implémentation dans un modèle numérique, devient une nécessité. Ceci laisse entrevoir qu'une bonne prédiction doit tenir compte du processus de re-suspension, de même que la consolidation et/ou fluidisation de la couche de vase fraîchement déposée. Finallement, la capacité et les améliorations du modèle sont proposées et ses performances sont évaluées avec succès pour la simulation de l'embouchure de l'estuaire du fleuve Po (PRE), qui est la principale source dans la partie Nord-Est de la Mer Adratique. L'analyse montre que le processus de consolidation/fluidisation sur le lit pourrait avoir une influence importante sur la prédiction de l'évolution de la formation et de la morphologie du lit. L'approche abordée dans cette thèse, basée sur les trois composantes (type de couches) du lit, est une innovation en ce qui concerne la prise en compte avec détails, de ce type de phénomème dans un modèle numérique.