A Depth-Averaged Numerical Model for Simulating Heat and Fluid Flows in Vegetated Channels

Un modèle numérique complexe moyenné sur la profondeur est développé pour simuler l'hydrodynamique et le transfert de chaleur dans les canaux végétalisés, avec une capacité de simuler les ruptures de barrage et les phénomènes d'inondation. Le modèle est capable de simuler les deux types d'écoulements, laminaires et turbulents, il peut prendre en compte les effets des écoulements secondaires. Il utilise les derniers développements de la science des milieux poreux, afin de simuler l'écoulement dans les zones végétalisées et il est possible d'effectuer des simulations dimensionnelles ou adimensionnelles. Ce modèle moyenné sur la profondeur est capable de commencer une nouvelle simulation ou de reprendre une autre. Il utilise de nombreuses techniques innovantes pour minimiser automatiquement le temps de calcul pour des problèmes ayant un grand nombre de mailles de calcul. Il utilise beaucoup de techniques novatrices pour augmenter la précision des solutions, il offre un choix varié de conditions aux limites, il peut effectuer une solution du 2nd ordre et il supporte plusieurs techniques pour contrôler les erreurs résiduelles. Comme première étape, le code numérique à deux dimensions est développé pour simuler l'écoulement et le transfert de chaleur. Les équations de transport sont résolues avec une méthode de collocation par volumes finis non structurés. Des données numériques et expérimentales sont utiliseés pour valider le code pour différentes conditions d'écoulement. Une technique multi-bloc de triangulation locale (MBLT) est développée et appliquée à plusieurs simulations pour diminuer la magnitude absolue des oscillations du champ de pression. Dans cette technique, une solution pour réduire la magnitude absolue des oscillations de pression est recherchée à travers la grille, de façon innovante, au lieu des équations de transport de masse et de mouvement. La technique de MBLT peut être simplement appliquée à des géométries complexes. Cette propriété la qualifie pour être utilisée dans le génie logiciel.

Abstract

In this thesis, a complex depth-averaged model is developed for simulating heat and fluid flows in vegetated channels, with a capability to simulate dam-break and flooding phenomena. The model is able to simulate both laminar and turbulent flows, it can take the secondary flow effects of any kind into account, it uses the latest developments in porous media science in order to simulate the flow in vegetated zones, and it is able to perform either a dimensional or a dimensionless solution. This depth-averaged model is able to start a solution from scratch or perform a hot start, it uses many innovative techniques to automatically minimize the computational cost for problems which include huge number of computational cells, it uses many innovative techniques for increasing the accuracy of solutions, it supports variety of boundary conditions, it can perform a high-order solution, and it supports several techniques for controlling the residual errors. As the first step, a two-dimensional numerical code is developed for simulating heat and fluid flows. The transport equations are solved using a collocated unstructured finite-volume scheme. Both numerical and experimental data are extensively used in order to validate the code for various flow conditions. A Multi-Block Local Triangulation (MBLT) technique is developed and successfully applied to several simulations for reducing the absolute magnitude of the oscillations in pressure field. In this technique, a solution for reducing the absolute magnitude of pressure oscillation is innovatively looked for through grid rather than the transport equations for mass and momentum. The MBLT technique can be simply applied to complicated geometries. This property makes the MBLT technique desirable to be used in engineering software.