Numerical Modelling of the Interaction Between River Ice and Control Structures

«RÉSUMÉ: Les hydrosystèmes des régions nordiques sont régulièrement affectés par les phénomènes liés à la glace et en particulier par la débâcle des glaces au début du printemps. Ce phénomène est caractérisé par la rupture soudaine de la couche de glace qui recouvre la rivière durant l’hiver en de nombreux blocs de glace individuels transportés. Cela peut devenir problématique lorsque la décharge de glace est trop importante endommageant ainsi les infrastructures fluviales ou encore en engendrant des embâcles de glace qui peuvent provoquer des inondations. Certaines régions et villes sont régulièrement affectées par ce phénomène qui menace des zones résidentielles et altère l’écosystème environnant. De ce fait, la prise en compte de ces aléas naturels est essentielle lors de la conception d’infrastructures fluviales ainsi que dans la gestion et prévention des risques liés aux inondations. Parmi les mesures de prévention, de nombreuses municipalités installent des structures de contrôle permettant de retenir la décharge de glace en amont d’une zone à risque et ainsi de réduire les risques d’inondations. La compréhension et la prédiction des interactions entre la glace provenant de la débâcle des rivières et ces structures de contrôle sont essentielles à l’optimisation de celles-ci. Dans ce but là, les modèles numériques s’avèrent être des outils puissants et efficaces contrairement aux études expérimentales qui, malgré leurs utilités, sont plus coûteuses et moins flexibles. Néanmoins, la complexité d’un tel phénomène multiphysique qui inclut l’interaction entre une phase fluide hautement dynamique avec une surface libre fragmentée et déformée et une phase solide constituée de nombreux blocs met au défi les modèles numériques. Les méthodes dites traditionnelles à maillage ont montré leurs limites en matière de précision des résultats et des couts de calculs pour l’application à de tels problèmes. Par opposition, les méthodes particulaires lagrangiennes comme Moving Particles Semi Implicit (MPS) ou Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) ont démontré leur efficacité à traiter des problèmes où la phase fluide est hautement dynamique de par leur nature lagrangienne.»

Abstract

«ABSTRACT: Northern hydro-systems are greatly influenced by ice processes and especially river ice breakup events that occur in early spring. Those events are characterized by a large ice floe discharge in rivers that can sometimes damage rivers’ infrastructure or lead to ice jams and related floods. Some regions are regularly affected by severe ice jam events that threaten residential areas and damage ecosystems. Thus, such events pose security issues and engineering challenges when designing river infrastructures. Many cities have installed ice control structures (ICSs) often made of piers to deal with river ice breakup-related issues. These structures aim to mitigate ice jams by holding back ice floes upstream from specific locations. River ice breakup events are characterized by many discrete ice floes evolving in a highly dynamic river flow with a fragmented and deformed free surface. Understanding and predicting how ice floes interact with these control structures in this context is essential to optimize the design of ICSs. To this end, numerical models which are more flexible, more transferable, and less expensive than experimental studies have been used as powerful tools to study those kinds of phenomena. Nevertheless, the complexity of such multiphysics phenomena that involves dynamic flow features and the interaction of many solids challenges the numerical methods in terms of accuracy and computational cost. Classical Eulerian mesh-based methods that are often used for fluid resolution in many mechanical problems have shown their limitation in dealing with such highly dynamic cases where free surface detection is challenging. On the other hand, Lagrangian particle-based methods such as Moving Particles Semi Implicit (MPS) or Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) have shown their efficiency in dealing with violent flows thanks to their mesh-free and Lagrangian nature. Coupled with the Discrete element method (DEM), which has proved its efficiency in dealing with solid motion and contacts, it provides a fully mesh-free Lagrangian model suitable for the simulation of such phenomenon. The simulation of large-scale events with fully Lagrangian methods remains an open research problem as it challenges the stability of those methods and remains computationally expensive. To address this knowledge gap, we developed and used a threedimensional fully Lagrangian numerical model to study ice-control structures interaction in a river breakup context. The model was developed using the open-source code DualSPHysics coupled with the open-source code Project Chrono. DualSPHysics deals with the fluid phase using the SPH method while Project Chrono uses the DEM for the solid motion resolution. The parallel implementation of the solvers used allows the simulation of large and detailed cases in reasonable computational time.»