Modelling crisis management for improved action and preparedness (CRISMA): Modelling submersion on the Charente-Maritime coast

International audienceCRISMA is a Research and Development project financed by the European Community. Its objective is to develop a simulation-based decision support system, in different domains of the natural or industrial risk (flood, snowstorm, seism, forest fires, accidental pollution, urban accidents). The application in France, coordinated by ARTELIA Eau & Environnement, is devoted to the submersion risk on the Charente-Maritime coast and based on the experience feedback of the storm Xynthia in February, 2010. In this framework, a specific work is in progress through a thesis realized in collaboration between ARTELIA and lNRIA. Its objective is to elaborate a methodology of multi-model coupling which should be effective and applicable for the CRISMA project. These models may differ in several ways, related either to the physics and/or to the numeric concepts. The developed methodology may allow to taking into account more specific areas (urban zone, bridge in charge, …), but also should be able to simplify the simulation by dimension changes of model parts (for example, a 1D model for rivers, and a 2D one for sea). The present work addresses more specifically the problem of coupling models with different spatial dimensions

Coupling 3D Navier-Stokes and 1D shallow water models

International audienceThe present work addresses the problem of coupling hydrodynamical models with different spatial dimensions, which can be used in order to reduce the computational cost of river numerical models. We show that this problem can be tackled quite efficiently by designing a simple algorithm using techniques borrowed from domain decomposition theory. This algorithm is non intrusive, i.e. allows using existing numerical models with very few modifications. The method is illustrated on an academic test-case, namely a free surface flow in a bend-shaped channel. A 3-D Navier-Stokes model is coupled with a 1-D shallow water model, and results are compared to those obtained in a fully 3-D case. It is shown that the coupling algorithm provides an accurate solution, which can be improved thanks to an iterative algorithm (Schwarz method). This study is performed using the Mascaret-Telemac system

Coupling 3D Navier-Stokes and 1D shallow water models

International audienceThe present work addresses the problem of coupling hydrodynamical models with different spatial dimensions, which can be used in order to reduce the computational cost of river numerical models. We show that this problem can be tackled quite efficiently by designing a simple algorithm using techniques borrowed from domain decomposition theory. This algorithm is non intrusive, i.e. allows using existing numerical models with very few modifications. The method is illustrated on an academic test-case, namely a free surface flow in a bend-shaped channel. A 3-D Navier-Stokes model is coupled with a 1-D shallow water model, and results are compared to those obtained in a fully 3-D case. It is shown that the coupling algorithm provides an accurate solution, which can be improved thanks to an iterative algorithm (Schwarz method). This study is performed using the Mascaret-Telemac system

A new Python3 module for TELEMAC-MASCARET dedicated to post-treatment: Postel

Hydrodynamic

Développement d’une méthodologie de couplage multimodèle avec changements de dimension : validation sur un cas-test réaliste

Progress has been performed for decades, in terms of physical knowledge, numerical techniques and computer power, that allows to address more and more complex simulations. Modelling of river and marine flows is no exception to this rule. For many applications, engineers have now to implement complex "modelling systems", coupling several models and software, representing various parts of the physical system. Such modelling systems allow addressing numerous studies, like quantifying the impacts of industrial constructions or highway structures, or evaluating the consequences of an extreme event.In the framwork of the present thesis, we address model coupling techniques using Schwarz's methodology, which is based on domain decomposition methods. The basic principle is to reduce the resolution of a complex problem into several simpler sub-problems, thanks to an iterative algorithm. These methods are particularly well suited for industrial codes, since they are very few intrusive.This thesis was realized within the framework of a CIFRE contract and thanks to the funding of the European CRISMA project and was thus greatly influenced by this industrial context. It was performed within the Artelia company, in collaboration with the AIRSEA team of the Jean Kuntzmann Laboratory, with the main objective of transferring to Artelia some knowledge and expertise regarding coupling methodologies.In this thesis, we develop a methodology for multi-model coupling with heterogeneous dimensions, based on Schwarz's methods, in order to allow modelling of complex problems in operational cases. From the industrial viewpoint, the developed coupled models must use software meeting Artelia's needs (Telemac-3D, Mascaret, InterFOAM, Open-PALM).We firstly study a testcase coupling 1-D and 3-D free surface flows, using the same software system Telemac-Mascaret. The advantage of such coupling is a reduction of the computation cost, thanks to the use of a 1-D model. However the change in the model dimension makes it difficult to define properly the notion of coupling, leading to a coupled solution which is not defined in a unique way but depends on the choice of the interface operators.Then we study a coupling case between a monophasic model and a diphasic model (1-D/3-D and 3-D/3-D), using Telemac-Mascaret and InterFOAM software systems. Once again, the main difficulty lies in the definition of interfaces operators, due to the change in the physics (monophasic / diphasic). Such a coupling makes it possible to solve complex flows that the Telemac-Mascaret system alone cannot address (breaking waves, water blade, closed-conduit flow, etc.), by locally using InterFOAM where necessary (InterFOAM is very expensive in terms of computations). Finally, we implement such a monophasic/diphasic coupling on an operational engineering study.In addition, we also present the work done during the CRISMA project. The overall objective of the CRISMA project was to develop a simulation-based decision support system for the operational crisis management in different domains of natural or industrial risks (floods, forest fires, accidental pollution, etc.). In this context, Artelia coordinated the development of an application allowing to simulate various aspects of crisis linked to flood risks in Charente-Maritime.Les progrès réalisés depuis plusieurs décennies, à la fois en termes de connaissances physiques, numériques et de puissance informatique disponible, permettent de traiter des simulations de plus en plus complexes. Les modélisations d'écoulements fluviaux et maritimes n'échappent pas à cette tendance. Ainsi, pour de très nombreuses applications de ce type, les modélisateurs doivent mettre en œuvre de véritables "systèmes de modélisation", couplant entre eux plusieurs modèles et logiciels, représentant différentes parties du système physique. La mise en place de tels systèmes permet de traiter de nombreuses études, comme par exemple les impacts de construction d'ouvrages d'art ou industriels, ou encore l'évaluation des aléas suite à un événement exceptionnel, etc.Dans le cadre de cette thèse, nous abordons cette problématique en utilisant une méthodologie de type Schwarz, empruntée à la théorie de décomposition de domaine, dont le principe est de ramener la résolution d'un problème complexe à celle de plusieurs sous-problèmes plus simples, grâce à un algorithme itératif. Ces méthodologies sont particulièrement bien adaptées au couplage de codes industriels puisqu'elles sont très peu intrusives.Cette thèse, réalisée dans le cadre d'un contrat CIFRE et grâce au financement du projet européen CRISMA, a été fortement ancrée dans un contexte industriel. Elle a été réalisée au sein d'Artelia en collaboration avec l'équipe AIRSEA du Laboratoire Jean Kuntzmann, avec pour objectif principal de transférer vers Artelia des connaissances et du savoir-faire concernant les méthodologies de couplage de modèles.Nous développons, dans le cadre de cette thèse, une méthodologie de couplage multi-modèles et de dimensions hétérogènes basée sur les méthodes de Schwarz, afin de permettre la modélisation de problématiques complexes dans des cas opérationnels (en complexifiant les problématiques étudiées au fur et à mesure de la thèse). Du point de vue industriel, les couplages mis en place sont fortement contraints par les logiciels utilisés répondant aux besoins d'Artelia (Telemac-3D, Mascaret, InterFOAM, Open-PALM).Nous étudions tout d'abord un couplage 1-D/3-D résolvant des écoulements à surface libre sous un même système de logiciel Telemac-Mascaret. L'avantage d'un tel couplage est une réduction de coût grâce à l'utilisation du modèle 1-D. Toutefois l’une des difficultés liées au changement de dimension réside dans la définition même de la notion de couplage entre des modèles de dimensions différentes. Ceci conduit à une solution couplée qui n’est pas définie d’une façon unique et qui dépend du choix des opérateurs d’interfaces.Puis nous nous intéressons au couplage monophasique/diphasique (1-D/3-D et 3-D/3-D) entre le système de logiciel Telemac-Mascaret et InterFOAM (modèle diphasique VOF), où la difficulté du choix des opérateurs d'interface lors du changement de physique (monophasique/diphasique) est aussi présente. Ce couplage a pour avantage de rendre possible la résolution d’écoulements complexes, que le système Telemac-Mascaret ne peut pas simuler (déferlement, lame d'eau, écoulement en charge, etc.) en utilisant localement InterFOAM avec son coût de calcul très important. Enfin, nous étudions l’application du couplage monophasique/diphasique sur un cas opérationnel d’étude d’ingénierie.Par ailleurs, les travaux effectués lors du projet CRISMA, pour le développement d'une application permettant de simuler les différents aspects d'une crise liée aux risques de submersions marines en Charente Maritime, coordonnés par Artelia, sont également présentés. Le projet CRISMA a pour objectif d'améliorer l'aide à la décision en se basant sur la simulation pour la gestion opérationnelle des situations de crise dans différents domaines du risque naturel et industriel (inondations, feux de forêt, pollutions accidentelles, etc.)

Methodological development for model coupling with dimension heterogeneity : validation on a realistic test-case

Les progrès réalisés depuis plusieurs décennies, à la fois en termes de connaissances physiques, numériques et de puissance informatique disponible, permettent de traiter des simulations de plus en plus complexes. Les modélisations d'écoulements fluviaux et maritimes n'échappent pas à cette tendance. Ainsi, pour de très nombreuses applications de ce type, les modélisateurs doivent mettre en œuvre de véritables "systèmes de modélisation", couplant entre eux plusieurs modèles et logiciels, représentant différentes parties du système physique. La mise en place de tels systèmes permet de traiter de nombreuses études, comme par exemple les impacts de construction d'ouvrages d'art ou industriels, ou encore l'évaluation des aléas suite à un événement exceptionnel, etc.Dans le cadre de cette thèse, nous abordons cette problématique en utilisant une méthodologie de type Schwarz, empruntée à la théorie de décomposition de domaine, dont le principe est de ramener la résolution d'un problème complexe à celle de plusieurs sous-problèmes plus simples, grâce à un algorithme itératif. Ces méthodologies sont particulièrement bien adaptées au couplage de codes industriels puisqu'elles sont très peu intrusives.Cette thèse, réalisée dans le cadre d'un contrat CIFRE et grâce au financement du projet européen CRISMA, a été fortement ancrée dans un contexte industriel. Elle a été réalisée au sein d'Artelia en collaboration avec l'équipe AIRSEA du Laboratoire Jean Kuntzmann, avec pour objectif principal de transférer vers Artelia des connaissances et du savoir-faire concernant les méthodologies de couplage de modèles.Nous développons, dans le cadre de cette thèse, une méthodologie de couplage multi-modèles et de dimensions hétérogènes basée sur les méthodes de Schwarz, afin de permettre la modélisation de problématiques complexes dans des cas opérationnels (en complexifiant les problématiques étudiées au fur et à mesure de la thèse). Du point de vue industriel, les couplages mis en place sont fortement contraints par les logiciels utilisés répondant aux besoins d'Artelia (Telemac-3D, Mascaret, InterFOAM, Open-PALM).Nous étudions tout d'abord un couplage 1-D/3-D résolvant des écoulements à surface libre sous un même système de logiciel Telemac-Mascaret. L'avantage d'un tel couplage est une réduction de coût grâce à l'utilisation du modèle 1-D. Toutefois l’une des difficultés liées au changement de dimension réside dans la définition même de la notion de couplage entre des modèles de dimensions différentes. Ceci conduit à une solution couplée qui n’est pas définie d’une façon unique et qui dépend du choix des opérateurs d’interfaces.Puis nous nous intéressons au couplage monophasique/diphasique (1-D/3-D et 3-D/3-D) entre le système de logiciel Telemac-Mascaret et InterFOAM (modèle diphasique VOF), où la difficulté du choix des opérateurs d'interface lors du changement de physique (monophasique/diphasique) est aussi présente. Ce couplage a pour avantage de rendre possible la résolution d’écoulements complexes, que le système Telemac-Mascaret ne peut pas simuler (déferlement, lame d'eau, écoulement en charge, etc.) en utilisant localement InterFOAM avec son coût de calcul très important. Enfin, nous étudions l’application du couplage monophasique/diphasique sur un cas opérationnel d’étude d’ingénierie.Par ailleurs, les travaux effectués lors du projet CRISMA, pour le développement d'une application permettant de simuler les différents aspects d'une crise liée aux risques de submersions marines en Charente Maritime, coordonnés par Artelia, sont également présentés. Le projet CRISMA a pour objectif d'améliorer l'aide à la décision en se basant sur la simulation pour la gestion opérationnelle des situations de crise dans différents domaines du risque naturel et industriel (inondations, feux de forêt, pollutions accidentelles, etc.).Progress has been performed for decades, in terms of physical knowledge, numerical techniques and computer power, that allows to address more and more complex simulations. Modelling of river and marine flows is no exception to this rule. For many applications, engineers have now to implement complex "modelling systems", coupling several models and software, representing various parts of the physical system. Such modelling systems allow addressing numerous studies, like quantifying the impacts of industrial constructions or highway structures, or evaluating the consequences of an extreme event.In the framwork of the present thesis, we address model coupling techniques using Schwarz's methodology, which is based on domain decomposition methods. The basic principle is to reduce the resolution of a complex problem into several simpler sub-problems, thanks to an iterative algorithm. These methods are particularly well suited for industrial codes, since they are very few intrusive.This thesis was realized within the framework of a CIFRE contract and thanks to the funding of the European CRISMA project and was thus greatly influenced by this industrial context. It was performed within the Artelia company, in collaboration with the AIRSEA team of the Jean Kuntzmann Laboratory, with the main objective of transferring to Artelia some knowledge and expertise regarding coupling methodologies.In this thesis, we develop a methodology for multi-model coupling with heterogeneous dimensions, based on Schwarz's methods, in order to allow modelling of complex problems in operational cases. From the industrial viewpoint, the developed coupled models must use software meeting Artelia's needs (Telemac-3D, Mascaret, InterFOAM, Open-PALM).We firstly study a testcase coupling 1-D and 3-D free surface flows, using the same software system Telemac-Mascaret. The advantage of such coupling is a reduction of the computation cost, thanks to the use of a 1-D model. However the change in the model dimension makes it difficult to define properly the notion of coupling, leading to a coupled solution which is not defined in a unique way but depends on the choice of the interface operators.Then we study a coupling case between a monophasic model and a diphasic model (1-D/3-D and 3-D/3-D), using Telemac-Mascaret and InterFOAM software systems. Once again, the main difficulty lies in the definition of interfaces operators, due to the change in the physics (monophasic / diphasic). Such a coupling makes it possible to solve complex flows that the Telemac-Mascaret system alone cannot address (breaking waves, water blade, closed-conduit flow, etc.), by locally using InterFOAM where necessary (InterFOAM is very expensive in terms of computations). Finally, we implement such a monophasic/diphasic coupling on an operational engineering study.In addition, we also present the work done during the CRISMA project. The overall objective of the CRISMA project was to develop a simulation-based decision support system for the operational crisis management in different domains of natural or industrial risks (floods, forest fires, accidental pollution, etc.). In this context, Artelia coordinated the development of an application allowing to simulate various aspects of crisis linked to flood risks in Charente-Maritime

Tridimensional model coupling using Schwarz methodology - Application to a water intake of a hydroelectric plant

International audienceProgress has been performed for decades, in terms of physical knowledge, numerical techniques and computer power, that allows to address more and more complex simulations. For many applications, engineers have to implement complex "modeling systems", coupling several models and softwares, representing various parts of the physical system. We address in this article model coupling techniques using Schwarz's methodology, which is based on domain decomposition methods. The basic principle is to reduce the resolution of a complex problem into several simpler sub-problems, thanks to an iterative algorithm. These methods are particularly well suited for industrial codes, since they are very few intrusive. We firstly discuss a coupling test case between two monophasic/diphasic tridimensional models, using Telemac-Mascaret and OpenFOAM software systems. Secondly, we analyze such a coupling for an operational engineering study of a water intake for a hydroelectric plant and a short comparison with physical model results

Modelling crisis management for improved action and preparedness (CRISMA): Modelling submersion on the Charente-Maritime coast

International audienceCRISMA is a Research and Development project financed by the European Community. Its objective is to develop a simulation-based decision support system, in different domains of the natural or industrial risk (flood, snowstorm, seism, forest fires, accidental pollution, urban accidents). The application in France, coordinated by ARTELIA Eau & Environnement, is devoted to the submersion risk on the Charente-Maritime coast and based on the experience feedback of the storm Xynthia in February, 2010. In this framework, a specific work is in progress through a thesis realized in collaboration between ARTELIA and lNRIA. Its objective is to elaborate a methodology of multi-model coupling which should be effective and applicable for the CRISMA project. These models may differ in several ways, related either to the physics and/or to the numeric concepts. The developed methodology may allow to taking into account more specific areas (urban zone, bridge in charge, …), but also should be able to simplify the simulation by dimension changes of model parts (for example, a 1D model for rivers, and a 2D one for sea). The present work addresses more specifically the problem of coupling models with different spatial dimensions

Coupling 3-D Navier Stokes and 1-D shallow water

The present work addresses the problem of coupling hydrodynamical models with different spatial dimensions, which can be used in order to reduce the computational cost of river numerical models. We show that this problem can be tackled quite efficiently by designing a simple algorithm using techniques borrowed from domain decomposition theory. This algorithm is non intrusive, i. e. allows using existing numerical models with very few modifications. The method is illustrated on an academic test-case, namely a free surface flow in a bend-shaped channel. A 3-D Navier-Stokes model is coupled with a 1-D shallow water model, and results are compared to those obtained in a fully 3-D case. It is shown that the coupling algorithm provides an accurate solution, which can be improved thanks to an iterative algorithm (Schwarz method). This study is performed using the Mascaret-Telemac system.Daou Mehdi Pierre, Blayo Eric, Rousseau Antoine, Bertrand Olivier, Tayachi Manel, Coulet Christophe, Goutal Nicole. Coupling 3-D Navier Stokes and 1-D shallow water. In: SimHydro 2014. New Trends in Simulation. 11-13 June 2014 Ecole Polytech’ Nice (France) 2014

Couplage Navier Stokes 3-D et Saint-Venant 1-D

International audienceThe present work addresses the problem of coupling hydrodynamical models with different spatial dimensions, which can be used in order to reduce the computational cost of river numerical models. We show that this problem can be tackled quite efficiently by designing a simple algorithm using techniques borrowed from domain decomposition theory. This algorithm is non intrusive, i.e. allows using existing numerical models with very few modifications. The method is illustrated on an academic test-case, namely a free surface flow in a bend-shaped channel. A 3-D Navier-Stokes model is coupled with a 1-D shallow water model, and results are compared to those obtained in a fully 3-D case. It is shown that the coupling algorithm provides an accurate solution, which can be improved thanks to an iterative algorithm (Schwarz method). This study is performed using the Mascaret-Telemac system.Ce travail présente un problème de couplage de modèle hydrodynamique avec des dimensions hétérogènes, qui peut être utilisé pour réduire le coût de calcul des modèles numériques de rivière. Nous montrons que ces problèmes peuvent être abordés de manière efficace avec un algorithme simple en utilisant des techniques venant de la théorie de la décomposition de domaine. Cet algorithme est non intrusif, c'est-à-dire qu'il permet d'utiliser des modèles déjà existants avec peu de modifications. La méthode est illustrée sur un cas-test académique, qui est un écoulement à surface libre dans un canal en forme de coude. Un modèle 3-D Navier Stokes est couplé avec un modèle 1-D Barré Saint-Venant, et les résultats sont comparés à ceux obtenus avec un cas entièrement 3-D. Ceci montre que l'algorithme de couplage fournit une solution précise qui peut être améliorée avec l'utilisation d'un algorithme itératif (méthode de Schwarz). Cette étude est réalisée avec le système de modélisation Mascaret-Telemac