Modélisation numérique des ondes de crues et de leurs impacts sur les structures en amont incluant les effets d'un couvert de glace

Extreme floods are among the most important causes of structural damage and failure. Climate change has been responsible for the growing magnitude of such extreme events and their frequency. Therefore, they are more difficult to predict and more devastating. In regions where temperatures remain negative for several months of the year, the formation of ice cover on rivers adds new variables to the analysis of these extreme phenomena, adding to the complexity of predicting their effects. Understanding and mastering the numerical tools used in such turbulent flow problems is therefore essential. To this end, comparative studies are generally required to verify the effects of some assumptions and the numerical approaches used. This thesis presents the development of numerical models simulating the propagation of a flood wave in a covered channel. Two numerical approaches commonly used in computational fluid dynamics are studied and compared in the light of experimental results: the finite element method programmed in the ADINA software, and the finite volume method programmed in the OpenFOAM software. The modeling and analysis of a simple case of water flow with an downstream obstacle were used to compare the performances of the numerical approaches and to identify the most important parameters of the models. The k − !SST turbulence model was selected for further analyses because of its ability to efficiently take into account the effects close to the boundaries but also at free surface.

Résumé

Les crues extrêmes sont parmi les causes les plus importantes de dégâts aux structures, voire leur défaillance. Les changements climatiques renforcent l'ampleur de ces crues extrêmes et les rendent aussi plus fréquentes. Elles deviennent ainsi plus complexes à prédire et plus dévastatrices. Dans les régions où les températures demeurent négatives pendant plusieurs mois de l'année, la formation de couverts de glace sur les rivières entraînent de nouvelles variables dans l'analyse de ces phénomènes extrêmes ajoutant ainsi à la complexité de la prédiction de leurs effets. La compréhension et la maîtrise des outils numériques utilisés dans de tels problèmes d'écoulement turbulents sont donc primordiales. À cet effet, des études comparatives sont généralement requises pour vérifier les effets de certaines hypothèses et des approches numériques utilisées. Ce mémoire présente le développement de modèles numériques simulant la propagation d'une onde de crue dans un canal couvert. Deux approches numériques couramment utilisés en dynamique des fluides sont étudiées et comparées à la lumière de résultats expérimentaux. D'une part, la méthode des éléments finis programmée dans le logiciel ADINA, et d'autre part la méthode des volumes finis programmée dans le logiciel OpenFOAM. La modélisation et l'analyse d'un cas simple d'écoulement avec un obstacle en aval a d'abord permis de comparer les performances des approches numériques et d'identifier les paramètres le plus importants des modèles. Le modèle de turbulence k −!SST a été sélectionné pour la suite des analyses grâce à sa capacité à prendre en compte efficacement les effets proches des parois mais aussi en surface libre.