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Numerical simulation of overtopping experiment

Simulation numérique d’un essai de surverse

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Abstract

In this paper, the overtopping of an earthen, cohesive dike is considered. Physical and numerical modelling of such phenomenon is often a compromise between physical relevance, numerical precision and computing time. At this stage the overtopping free surface flow is modelled over a smooth or partly eroded slope. Progressive erosion and sediment transport phenomena are not addressed but shall be included later by (hydrodynamic) coupling. A bi-fluids Eulerian model at low Mach number is used to model the complex hydrodynamics of overtopping. This bi-fluid, non-viscous and almost incompressible model is physically more relevant than Saint-Venant models which are often used. Indeed, jets flows and recirculations are better dealt with by diphasic models. Obviously this model is less accurate than a Navier-Stokes model, with or without turbulence, but its formulation allows for a realistic three-dimensional representation of hydrodynamics through (computing) time-wise cheaper simulations. Specifically, the hyperbolic formulation of the problem to solve allows the use of a fast parallel explicit finite volume solver. It benefits from dynamic mesh refinement based on numerical entropy production criteria, in order to optimize the number of unknowns, thus computing time, while increasing the accuracy in areas of interest. Thanks to the adaptive mesh refinement procedure, steady flow conditions are quicker to obtain, and height and velocity field are in good agreement with field measurements. The results are also compared to computations performed with a commercial CFD software using a diphasic Navier-Stokes model and k-ωSST turbulent model.
Nous considérons une digue en terre soumise à un écoulement de surverse. La modélisation physique et numérique d’un tel phénomène est en général un compromis entre pertinence physique, précision numérique et temps de calcul. Nous nous sommes attachés à l’analyse de l’écoulement à surface libre caractéristique d’une surverse, éludant momentanément les phénomènes d’érosion et de transport sédimentaire qui seront inclus ultérieurement par couplage. L’hydrodynamique complexe associée à la surverse est traitée grâce à un modèle bi-fluide Eulérien à faible nombre de Mach. Ce modèle bi-fluide, non visqueux et faiblement compressible est physiquement plus pertinent que des modèles de type Saint-Venant généralement utilisés. En effet, on observe dans l’écoulement des jets et des recirculations plus facilement appréhendés par un modèle diphasique. Ce modèle est évidemment moins riche qu’un modèle de Navier-Stokes avec ou sans turbulence, mais sa formulation permet des simulations tridimensionnelles beaucoup plus économes en temps de calcul pour une représentation hydrodynamique réaliste. En effet, la formulation hyperbolique du problème à résoudre autorise l’utilisation d’un solveur volumes finis explicite parallèle rapide. Ce solveur bénéficie d’un outil de raffinement dynamique de maillage par blocs sur critère de production numérique d’entropie, qui permet d’optimiser le nombre d’inconnues, et donc le temps de calcul, tout en augmentant la précision de la simulation dans les zones d’intérêt. Ce modèle est appliqué à l’étude de la surverse d’une digue expérimentale. Le parement aval de la digue est considéré lisse ou bien avec un profil en marches représentatif des observations expérimentales. Grâce au raffinement dynamique de maillage, l’établissement de l’écoulement est simulé rapidement. Puis, lorsque l’écoulement stationnaire est atteint, les hauteurs et champs de vitesse sont confrontés avec succès à quelques mesures expérimentales. Ces résultats sont également comparés avec des simulations réalisées avec un code commercial utilisant un modèle Navier-Stokes diphasique avec turbulence k-ωSST.
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proc_2019_Digues_Aix.pdf (563.05 Ko) Télécharger le fichier
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Dates and versions

hal-02075095 , version 1 (10-12-2021)

Identifiers

  • HAL Id : hal-02075095 , version 1

Cite

Sophie Jeuck, Gregory Charrier, Frederic Golay, Stéphane Bonelli. Simulation numérique d’un essai de surverse. Digues Maritimes et Fluviales de Protection contre les Inondations, 2019, Mar 2019, Aix-en-Provence, France. ⟨hal-02075095⟩
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