Comité Français des Barrages et Réservoirs

doi_cfbr_shf_colloque2017_b02

Apports et enjeux de la modélisation hydraulique 3D pour la conception et la réhabilitation des ouvrages hydrauliques


Christophe DAUX ,Vincent LIBAUD, Yanis OUKID (TRACTEBEL Enginnering)

Éditeurs :

  • Société Hydrotechnique de France - SHF - ISBN : 979-10-93567-16-7
  • Comité Français des Barrages et Réservoirs - CFBR - ISBN 979-10-96371-04-4

Colloque "Hydraulique des barrages et des digues" - 29 et 30 novembre 2017 - Chambéry, France
Année d’édition 2017

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Title : Practical capacities and challenges of 3D CFD modeling in design and rehabilitation of hydraulic structures

Résumé
Jusqu’à ces dernières années, les études détaillées des ouvrages hydrauliques ont été réalisées presque systématiquement par le biais de modèles physiques. Les modèles physiques sont en général coûteux et chronophages, et ne peuvent représenter que les phénomènes hydrauliques dépendants de la loi de similitude pour laquelle le modèle a été défini. De nos jours, la modélisation numérique 3D peut compenser ces points faibles et fournir un outil flexible et puissant pour accompagner et compléter la modélisation physique, ou même la remplacer dans certains cas. Cet article décrit les enjeux de la modélisation hydraulique 3D pour la conception et la réhabilitation des ouvrages hydrauliques. Il présente, dans un premier temps, comment la modélisation numérique 3D a d’abord été validée sur une large gamme de phénomènes hydrauliques, puis comment elle est exploitée par Tractebel sur plusieurs grands projets, pour analyser et optimiser la conception ou l’exploitation des structures hydrauliques en appui des méthodes analytiques et modèles physiques. Des exemples d’applications complémentaires sont présentés tels que la modélisation de grands évacuateurs de crues, un canal d’amenée, une prise d’eau usinière, ou encore les phénomènes d’entrainement d’air et de dissipation d’énergie dans un ressaut hydraulique ou dans une fosse d’érosion. Les possibilités et les limites de la modélisation 3D sur ces divers sujets sont discutées. Des méthodes de modélisation simplifiées ont été développées pour répondre à des questions spécifiques de manière optimisée. Les procédures élaborées pour chaque cas particulier sont décrites de manière à fournir des processus indicatifs pour le déploiement de la modélisation hydraulique 3D dans des projets d’ingénierie, et ainsi y apporter une valeur ajoutée. En se basant sur l’expérience de Tractebel, les défis qui restent à surmonter sont discutés, avec un accent mis sur la modélisation de l’entraînement d’air.

Abstract
Until recent years, detailed studies of hydraulic structures were made almost systematically by hydraulic physical models offering great capabilities to understand the hydraulic behaviour of the studied flows. On the other hand, physical models are in general rather expensive and time consuming, and can only represent some hydraulic phenomenon of interest. This depending on the similarity law for which they have been calibrated. Nowadays, given the increasing computational capabilities and further development of user-friendly interfaces, 3D CFD modelling can balance these issues and provide a flexible and powerful tool to support physical modelling, or even replace it in certain cases. The numerical modelling of complex hydraulic flows is becoming more and more efficient and cost effective, providing a powerful tool for hydraulic analysis, from preliminary to detailed studies. This article describes how the 3D CFD tool has been first validated on a large range of hydraulic phenomena, then how it is exploited by Tractebel on several large projects to analyse and optimize the design or operation of hydraulic structures. Several way to exploit 3D CFD models are developed, either at early stages of the design process, ahead or together with a physical model in order to optimize it exploitation. Application examples are presented, among which the modelling of large gated overflow and orifice spillways, headrace channel, powerhouse intake, air entrainment modelling for energy dissipation in a hydraulic jump or in a plunge pool… Possibilities and limitations of the 3D CFD tool on these various topics is discussed. Simplified modelling methods have been developed to address specific issues, in an optimized way. The procedures developed for each particular case is described so as to provide indicative frameworks for deploying 3D CFD tools in engineering projects, and provide added value. Based on Tractebel experience, the challenges that have still to be overcome are discussed, with an emphasis put on the modelling of air entrainment.

Citation
DAUX Christophe, LIBAUD Vincent, OUKID Yanis. Apports et enjeux de la modélisation hydraulique 3D pour la conception et la réhabilitation des ouvrages hydrauliques. In Colloque "Hydraulique des barrage et des digues". Chambéry : CFBR-SHF - 29,30 novembre 2017. ISBN 979-10-93567-16-7 & 979-10-96371-04-4. p 76-90. doi : 10.24346/cfbr_shf_colloque2017_b02


Voir aussi : Colloque "Hydraulique des barrages et des digues"

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