1D/2D porosity model for urban flood modeling: case of a dense street networks

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Prediction of suspended sediment concentrations in river flows

Studying the suspended sediments concentration (SSC) is of critical interest for water management. However, acquiring information on suspended sediment concentration (SSC) through direct in situ measurements has always been a challenging task due to technical difficulties especially in flows where the character of suspended materials changes frequently. Ideally, researchers would like to be able to measure the suspended-sediment concentration at all points in a given river. Regarding the cost in terms of material and labor time, they simplify the task to the measurement at all points in a cross section, the measurement along one vertical or even the measurement at one point. Each time the procedure includes a smaller portion of the river, spatial error becomes grater. Regarding all these difficulties, numerical modeling is used instead of or coupled with in situ measurement to optimize the cost of studying suspended sediments concentration. Various numerical and analytical formulas of different order of complexity are used to represent SSC, and knowing the complexity of transport in rivers, it is still impossible to have a universal profile. In this context, we are interested into establishing an innovative model to predict SSC in river flows. The model suggested in the present study is obtained by combining the properties of the sediment diffusivity coefficients of the parabolic constant model and of the model presented by Itakura and Kishi (1980). The model established is validated with a range of experimental data

Contribution a l'etude d'un aerosol par methodes optiques et traitement d'image

SIGLEINIST T 73351 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Modélisation de la déposition des particules solides dans les rejets urbains conduits à la mer par émissaires marins

Le travail présenté dans cette thèse consiste à l étude des rejets en mer, par émissaire marin, des eaux usées urbaines des collectivités littorales. Nous focalisons notre étude sur les rejets chargés de matières en suspension. Ces matières risquent de déposer autour du point de rejet et créent une zone très polluée. Dans ce contexte, nous procédons à la modélisation de la déposition des particules transportées en suspension par les rejets urbains dans la zone proche du point de rejet dite champ proche . Ceci est fait dans le but de mieux comprendre ce phénomène et de pouvoir déterminer, en conséquence, le niveau de traitement à l amont ainsi que la configuration du dispositif de rejet en fonction des capacités du milieu récepteur à assimiler la pollution solide. Nous avons réalisé ce travail en trois parties. Dans la première partie, nous avons étudié les rejets urbains dans les zones littorales, les caractéristiques des eaux usées urbaines et celles des particules solides transportées par ces eaux. Nous avons aussi étudié la relation entre les différents critères de qualité des eaux du milieu récepteur et le rejet urbain ainsi que le rôle de l émissaire marin dans la réduction de l impact environnemental du rejet sur le milieu marin. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la zone proche de l émissaire marin. Il s agit du jet turbulent issu du rejet. Dans ce contexte, nous étudions le comportement hydrodynamique du jet et nous le modélisons. Ceci est fait par l établissement d un modèle Lagrangian pour l étude du champ proche (modèle de la phase liquide). Dans la troisième partie, nous construisons un modèle pour anticiper la déposition des particules solides transportées par les rejets urbains (modèle de la phase solide). Ce modèle se base sur le phénomène de concentration préférentielle. Il est couplé avec le modèle Lagrangian du comportement hydrodynamique du jet, conçu dans la deuxième partie. Le modèle est validé par des données expérimentales représentant le taux de déposition longitudinale des jets horizontaux et inclinés flottants dans un milieu stationnaire, en présence de co-courant et les jets horizontaux non flottants dans un milieu stationnaire. Nous terminons ce travail par une analyse de sensibilité pour étudier les effets d un certain nombre de paramètres du jet et du milieu ambiant sur le comportement hydrodynamique du jet et sur le taux de déposition.In this study, we are interested in the problem of marine wastewater discharge via the submarine outfall. We emphasize on the urban discharge laden with suspended solids. These suspended solids may depose around the discharge point in the sea and create a highly polluted zone. The objective of this study is the modeling of deposition of suspended solids from urbandischarge in the zone near the discharge point, called nearfield, in order to understand the phenomenon and determine thereafter the treatment level upstream in addition to the configuration of the discharge point depending on the capacity of receiving milieu to assimilate the solid pollution. The work is realized in three parts. In the first part, we studied the management of urban discharge in coastal areas, including the characteristics of urban wastewater, and those of solid particles transported by wastewater. We studied also the relation between the receiving water quality criteria and urban discharge in addition to the role played by the submarine outfall in the reduction of environmental impact of the urban discharge on the marine milieu. In the second part, we concentrate on the zone near the submarine outfall that means the turbulent jet issued from the discharge. We study the hydrodynamic behaviour of the jet, the modeling of this behaviour. Then we present our Lagrangian model designed for the study of nearfield (liquid phase model). In the third part, we construct a model to anticipate the deposition of solid particles driven to the sea by the urban discharge (solid phase model). This model is based on the phenomenon of preferential concentration and is coupled with the Lagrangian model of hydrodynamic behaviour of the jet designed in the second part. The model is validated by experimental data presenting the longitudinal deposition rate of horizontal and inclined jets in stationary ambient, in presence of coflow in addition to the case of horizontal non-buoyant jets in stationary ambient. Finally, a sensitivity analysis is performed where we studied the effects of many parameters of the jet ad the ambient milieu, on the hydrodynamic behaviour of the jet and on the deposition rate.STRASBOURG-Bib.electronique 063 (674829902) / SudocSudocFranceF

Modélisations des équations 1D de Barré de Saint Venant par la méthode des éléments finis de type discontinus de Galerkin à discrétion temporelle de Runge-Kutta

Un modèle numérique pour la simulation de l'écoulement transitoire unidimensionnel à surface libre dans les conduites et les réseaux hydrauliques est conçu, discuté et appliqué. En guise d'arrière-plan, une discussion détaillée sur le modèle mathématique et les propriétés physiques des équations est présenté. Une discussion sur les points singuliers des équations D de Saint Venant est notamment effectuée soulignant la nécessité d'un traitement spécifique des conditions aux limites internes. Une étude bibliographique sur les schémas numériques de type Godounov, recommandés très souvent pour l'approximation numérique des systèmes vectoriels associés aux lois de conservation hyperboliques est présentée. La méthode des éléments finis de type Runge-Kutta Discontinus de Galerkin (RKDG) est très lcoale et exige un traitement simple des conditions aux limites et des termes sources pour obtenir un ordre élevé de précision. L'intégration en temps explicite, ainsi que l'utilisation de fonctions orthogonales, rendent la méthode de calcul aussi efficace que les méthodes de type volumes finis qui sont bien adaptées pour les régimes transitoires et transcritiques. Pour les parties différentiables de la solution numérique, l'approximation est du deuxième-, troisième-, et quatrième-ordre de précision pour des approximations spatiales linéaires, quadratiques et cubiques, respectivement. En outre, les chocs sont généralement capturés en utilisant seulement deux éléments voisins. Un banc d'essai numérique est effectué montrant l'intérêt du schéma développé. Le modèle numérique RKDG2 du second-ordre est considéré, comparé favorablement par rapport à un schéma volume fini mis en oeuvre avec les mêmes propriétés, amélioré avec un traitement spécial des termes sources, et appliqué avec succès pour la prédiction des écoulements torrentiels à travers une confluence simple de canaux où un couplage avec un modèle non linéaire de jonction est utilisé dans le traitement des conditions aux limites internes. Une nouvelle technique de simulation de l'écoulement fluvial au sein d'une confluence est également étudiée, se concentrant principalement sur la fiabilité du concept de l'approximation des égalités des hauteurs d'eau à la jonction ; approche largement utilisée dans le traitement des conditions limites internes dans la majorité des logiciels commerciaux. Nous terminons ce mémoire en proposant une nouvelle méthodologie pour la prédiction de la séparation de l'écoulement à travers une diffluence simple de canaux formant un angle de 90. L'approche proposée est évaluée avec succès par une confrontation à des résultats expérimentaux. Son principal avantage est que le caractère 2D de la division de l'écoulement transitoire est pris en compte dans la forme 1D conservative du système de Saint Venant.A numerical model for the 1D simulation of transient water flow in conduits and channels network is derived, discussed and applied. As a background, a detailed discussion of the mathematical ans physical properties of the governing equations is given. a discussion on singular points for the 1D Saint Venant equations is performed highlighting the necessity of internal boundary conditions treatments. The historical developmentof existing Godunov-type numerical schemes, widely recommended for solving hyperbolic conservation laws, is reviewed and discussed. The Runge-Kutta Discountinuous Galerkin (RKDG) finite elementmethod is very local and requires as simple treatment of boundary conditions and source terms to obtain high-order accuracy. the explicit time integration, together with the use of orthogonal shape functions, makes the method computationally as efficient as well-suited finite volume schemes for transcient and transcritical flows. For smooth parts of the solution, the scheme is shown to be second-, third- and fourth-order accurate for linear, quadric and cubic shape functions, respectively. Furthermore, shocks are usually captured within only two neighboring elements. Numerical results of several 1D flow problems show the interest of the developed method. The second-order RKDG scheme is considered, compared favorably with the performance of a finite volume scheme implemented with the same features, improved with a special treatment of source terms and applied successfully for the water flow computation of supercritical flow through a simple confluence system with involvement of nonlinear internal boundary conditions handling. a thorough technique for subcritical flow simulation through a confluence is also investigated, focusing mainly on the reliability of the concept of the stages equality approximation at the junction, which is widely used with the internal boundary conditions treatment of many commercial packages. A new numerical model for the prediction of the flow dicision at a 90 open-channel diffluenceis proposed and successfully compared with conducted experimental data. Its main advantage is that the 2D flow division is taken into account within the 1D conservative form of the Saint Venant system and the approach is capable for handling the transient behaviors of the flow at the separation.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Modélisation mathématique du transport des sédiments en suspension dans les écoulements de surface (de l'empirique au numérique)

La distribution verticale de la concentration des sédiments en suspension joue un rôle majeur dans l étude du taux et la capacité de transport d une rivière. Il existe, dans la bibliographie, plusieurs modèles de distribution des vitesses et des concentrations dont les conditions d utilisation sont souvent ambigües. Vue la difficulté des mesures sur terrain, il est nécessaire d utiliser et de savoir choisir un profil numérique.Le but de cette thèse est de concevoir de nouveaux outils pour étudier la distribution verticale des vitesses et des concentrations. Dans ce contexte, nous présentons deux nouveaux coefficients de diffusivités obtenus par l introduction d opérateurs de corrections au profil parabolique. Ces deux modèles donnent en utilisant l équation de convection diffusion et le principe de Boussinesq deux profils analytiques de concentration et de vitesse. Aussi nous mettons au point une méthode qui permet de faire le choix entre les différents modèles mathématiques représentants le même phénomène physique et deux méthodes pour l intersection des profils et pour l extension des profils dans les cas où le modèle applicable n est pas unique ou n existe pas. Ensuite, nous appliquons cette méthode à l étude des profils verticaux de vitesse et des distributions de la concentration des sédiments en suspension en régime stationnaire et uniforme, et nous développons le code expert pour la distribution verticale des concentrations, code_ERESA.Dans une annexe, nous testons l utilisation du code de volumes finies code_Saturne pour l étude de la distribution verticale des vitesses et des concentrations des sédiments en suspension dans les écoulements de surface.The vertical distribution of suspended sediment concentration and velocity plays a major role in the study of the transport rate and the transport capacities of a river. Many suspended sediments concentration and velocity profiles exist in the literature, having ambiguous conditions of application. In addition, it is not easy to conduct in situ measurements. This reveals, not only the utility of using numerical profiles, but also the responsibility of choosing an optimal one.The present thesis aims to conceive new tools for studying the vertical velocity and concentration distribution. In this context, we present two new sediment diffusivity coefficients obtained by the introduction of correction operator on the parabolic diffusivity coefficient. These models are implemented in the convection diffusion equation to generate two analytical concentration profiles and using the Boussinesq assumption, they lead to two analytical velocity profiles. Also, we conceive a method for choosing between different mathematical representation of a same physical phenomenon, and two methods for the intersection between these representations when more than one is applicable and for the extension of the representations to the cases where no model is applicable. We apply this method on the study of the vertical velocity profile and the sediment distribution in steady and uniform sediment laden open channel flows, and we develop the expert system for the vertical sediment concentration distribution code_ERESA.In an appendix, we test the use of the finite volume code_Saturne for the study of the vertical velocity distribution and suspended sediment concentration in open channel flows.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Contribution à la résolution numérique des équations de Barré de Saint Venant bidimensionnelles par une méthode de type éléments finis discontinus (Application à la simulation des écoulements au sein des carrefours de la ville)

L objectif scientifique de ce travail de thèse est la gestion hydraulique de l inondation dans la ville. La maîtrise des volumes et hauteurs générés par les événements pluvieux passe par une connaissance fine des carrefours. En effet, les débits vont se distribuer au sein de la ville à travers ces noeuds. Le travail concerne tout particulièrement l étude de la résolution numérique des équations bidimensionnelles de l hydraulique à surface libre (équations de Barré de Saint Venant). L outil privilégié pour répondre aux demandes des services techniques des agglomérations est la simulation numérique, seul outil permettant de faire des prévisions pour des événements exceptionnels. L objectif est ainsi de mettre au point un outil de simulation robuste permettant de faire des choix en fonction d objectifs. Le schéma numérique considéré est de type éléments finis discontinus de Galerkin associés à une limitation de pente. Le travail vise tout particulièrement à mette en oeuvre ce type de schéma et à étudier la robustesse et la stabilité de ce nouveau schéma de discrétisation notamment lors de l utilisation de maillage non-structuré des carrefours de la ville à partir d éléments triangulaires. Dans un premier temps, le schéma numérique est comparé favorablement par rapport à un schéma volume fini mis en oeuvre avec les mêmes propriétés sur différents problèmes hydrauliques transitoire et stationnaire. Un banc d essai numérique est effectué montrant l intérêt du schéma développé. Dans un deuxième temps, le schéma numérique est comparé par rapport à l approche unidimensionnelle pour la prédiction des écoulements fluviaux, torrentiels et transcritiques à travers les jonctions. Nous terminons ce mémoire en vérifiant les capacités du schéma numérique à simuler les écoulements qui se développent au sein des carrefours de la ville, dans les conditions expérimentales étudiées par Mignot et al. (2008b). Ainsi, les résultats prédits par le schéma numérique sont comparés avec les caractéristiques correspondantes des écoulements mesurés expérimentalement ainsi qu avec les résultats prédits par la méthode des volumes finis 2D et un logiciel basé sur la méthode des volumes finis pour la résolution des équations tridimensionnelles de Navier Stokes (FLUENT 3D).The scientific objective of this work of thesis is the hydraulic management of the flood in the city. The control of volumes and water depths generated by the rainy events passes by a fine knowledge of the crossroads. In fact, the flows will be distributed within the city through these nodes. The work concerns particularly the study of the numerical resolution of the two-dimensional equations of hydraulics at open channel (Saint Venant equations). The tool privileged to answer to the requests of the engineering departments of the agglomerations is the numerical simulation, only tool making it possible to make forecasts for exceptional events. The objective is thus to develop a tool for simulation robust making it possible to make choices according to objectives. The considered numerical scheme is based on the discontinuous Galerkin finite elements method associated with a slope limitation. The work will aim particularly to implements this type of scheme and to study the robustness and the stability of this new scheme of discretization in particular during the use of unstructured mesh of the crossroads of the city starting from triangular element. In the first time, the numerical scheme is favourably compared to a finite volume scheme implemented with the same properties on various hydraulic problems transient and steady. Numerical results of several flow problems show the interest of the developed method. In the second time, the numerical scheme is compared to the one-dimensional approach for the prediction of the subcritical, supercritical and transcritical flows through the junctions. We finish this memory by checking the capacities of the numerical scheme to simulate the flows which develop within the crossroads of the city, under the experimental conditions studied by Mignot et al. (2008b). Thus, the results predicted by the numerical scheme are then compared with the corresponding characteristics of the flows measured in experiments as well as with the results predicted by a 2D finite volume method and a software basedSTRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Etude du comportement thixotrope de suspensions de bentonite en conduite

La manière habituelle de prévoir le comportement en conduite de fluides Non Newtoniens consiste à effectuer une étude rhéologique, à en déduire un modèle de comportement introduit dans les équations de l écoulement. Cette approche peut s avérer insuffisante dans le cas de fluides présentant à la fois un seuil d écoulement et un comportement thixotrope complexe tels que les suspensions de Bentonite ou de Laponite. Dans cette thèse nous avons réalisé des écoulements de suspensions de Bentonite et de Laponite sous diffe rentes conditions: rampes de débits, écoulements à charge constante ainsi que des écoulements oscillatoires. Nous mesurons simultanément les profils de vitesse et les pertes de charge. Ces écoulements sont caractérisés par une zone bouchon au cœur de l écoulement et une zone cisaillée localisée à la paroi. La connaissance de la localisation du rayon de transition ou rayon critique entre ces zones est d un intérêt ou d un point de vue non seulement fondamental mais aussi pratique. D un point de vue pratique il s agit d un paramètre indispensable au calcul des contraintes pariétales et donc des pertes de charge. D un point de vue théorique il révèle les conditions de transition entre état fluide et état gel.Dans le cas de fluides à seuil le rayon critique est supposé être localisé à l endroit ou la contrainte est égale à la contrainte seuil. Nous montrons qu une mince couche fluidifiée existe à la paroi quelque soit la contrainte appliquée. L épaisseur de cette couche fluidifiée s accroit lentement et continument avec le temps lors de la mise en écoulement tant que la contrainte à l interface reste supérieure à un certain seuil. Cette contrainte limite à l interface ne peut être assimilée à une contrainte seuil au sens classique du terme puisque des contraintes supérieures en dehors de la zone d interface ne conduisent pas à une déstructuration de la suspension. Nous en déduisons que le mécanisme principal de déplacement du rayon critique dans nos conditions expérimentales est de type érosif. Un modèle de la cinétique d érosion couplé à un modèle d évolution des paramètres rhéologiques de la zone fluidifiée est proposé. Ce modèle permet de reproduire de façon satisfaisante les principaux résultats expérimentaux.The usual approach to predict pipe flow characteristics of non Newtonian fluids consists in performing rheological studies leading to a rheological model of the fluid introduced in pipe flow momentum equation. This approach can be a difficult task in case of fluid having yield stress and complex thixotropic behaviour such as bentonite or laponite suspensions. In the present thesis we present pipe flow experiments of bentonite and laponite suspensions in various flow conditions: constant and increasing flow rates, constant pressure head and oscillations flow. We simultaneously measure the instantaneous velocity profiles and pressure drop. Such flows are characterized by a plug zone at the pipe centre and a sheared zone at the pipe wall. Knowing the location of the transition radius or critical radius is of fundamental interest from practical as well as theoretical point of view. From practical point of view it is one of the parameter that permit to determine wall shear stress hence pressure drop. From theoretical point of view it reveals the conditions of transition from solid to fluid state. For fluid having a yield stress the critical radius is supposed to be located at a position where local stress is equal to yield stress . We show that a thin fluid layer exists at the wall whatever the applied stress. The thickness of this fluid layer increases slowly and continuously with flow time till the stress at the solid fluid interface is larger than a limit value. This limit interfacial stress can not be assimilated to a yield stress since suspension volumes in the bulk fluid having experienced much larger stress continue to behave as a solid. We conclude that the location of the critical radius is not governed by an instantaneous mechanical rupture of the particle structure but rather by an erosion mechanism of the solid zone. The erosion kinetic as well as the rheological behaviour of the fluid film are modelled . The model appears capable to predict all the observed flow phenomena.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Conception d'un nouvel éco-matériau à utiliser en chaussées perméables et épuratoires dans les zones urbaines

Le travail présenté dans cette thèse s inscrit dans une optique de respect de l environnement et de préservation des ressources. Il propose une solution innovante dans le domaine de la gestion des eaux pluviales en concevant un nouveau matériau utilisable comme chaussée perméable et épuratoire dans les zones urbaines à faible trafic, telles que les parkings. Ce matériau est un mélange de béton concassé issu de déchets inertes du BTP utilisé comme ossature de la structure perméable et de compost destiné à la rétention des polluants et à leur traitement biologique. Pour la caractérisation hydrodynamique de ce nouveau matériau, nous avons conçu un pilote expérimental de laboratoire. Des expériences ont été réalisées pour mesurer en milieu saturé la conductivité hydraulique du matériau constitué de béton concassé vierge ou mélangé avec du compost (3 %, 5 %, 7 % et jusqu à 10 % du volume total du matériau). On a mené, par la suite, des campagnes de traçage pour les cinq proportions du mélange, réalisées dans des conditions de régime permanent et continu dans un milieu partiellement saturé. L approche expérimentale adoptée pour cette étude consiste en une analyse des moments statistiques par suivi de la distribution du temps de séjour. Le traçage a été réalisé à l aide d un traceur conservatif (NaCl). Ces expériences de laboratoire ont été suivies d un travail de modélisation à l aide d un code de calcul CXFIT destiné à estimer les paramètres de transport de soluté à l échelle du laboratoire. Dans le but d étudier le comportement hydrique et le pouvoir épuratoire du matériau sous des charges climatiques et mécaniques réelles, nous avons aussi conçu une plateforme expérimentale in situ (projet financé par la Région Alsace). Les premiers résultats obtenus montrent que le matériau constitué de béton concassé et de 10% de compost présente la plus grande capacité de rétention d eaux pluviales.The work of this thesis deals mainly with environmental protection and resource conservation. An innovative solution is developed in the field of sustainable stormwater management by designing a new material used as permeable and purificating pavement in urban areas with low traffic, such as parking lot. The material is a mixture of crushed concrete which provides the skeleton of the drainage structure, and compost that plays the role of pollution retention and its biological treatment. For the hydrodynamic characterization of this new material, we designed a pilot experimental laboratory. Experiments were conducted in a saturated media to measure the hydraulic conductivity of the crushed concrete, and the ones of the new material which is composed of crushed concrete mixed with 3%, 5%, 7% and 10% of compost. We conducted, thereafter, tracing experiments for the five mixture proportions. These experiments were conducted under steady flow and continuous conditions in an unsaturated media. The experimental approach adopted for this study is an analysis of statistical moments (Residence Time Distribution). Tracing was performed using a conservative tracer (NaCl). These laboratory experiments were followed by a modeling work using a computer code CXFIT to estimate the solute transport parameters in laboratory scale. Further, we designed an experimental plat form in situ, to study the hydraulic behavior and purificating power of the new material under real climatic (stormwater) and mechanical (car s parking) load conditions. The primarily results show that the mixture 90/10 (consisting of 90% of crushed concrete and 10% of Compost) has the high retention of stormwater.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF