Recherche
Hydraulique Urbaine
Présentation
Le thème « Hydraulique Urbaine », impliqué notamment dans les activités de l'ENGEES et dans le réseau de laboratoires actifs dans le domaine de l'assainissement et du traitement des eaux usées, est mené par un ensemble de chercheurs, qui constitue un des leaders nationaux dans sa spécialité. Au cours du dernier quadriennal, ce groupe s’est notamment focalisé sur deux aspects : - propagation des inondations (débordement de rivière, écoulements en milieu urbain, écoulements dans des carrefours, …) - écoulements au niveau d’ouvrage d’assainissement (réseau d’eau unitaire, déversoir d’orage, …).
Objectif/Contexte
Dans le cadre des activités portant sur l’étude des inondations, le groupe a notamment considéré le système de Barré de Saint-Venant (1D et 2D) qui modélise l´écoulement de l´eau à surface libre et sa résolution numérique. Ce système d’équations différentielles aux dérivées partielles de type non linéaires et hyperboliques n´admet pas de solution analytique dans le cas général. Les activités de recherche ont ainsi porté sur : - un volet numérique avec le développement de méthodes numériques spécifiques ; - une forte partie expérimentale afin de mieux comprendre les phénomènes étudiés et de valider les méthodologies développées.
Activités
Ces travaux ont permis le développement d’un code de calcul utilisant la méthode des éléments finis discontinus de Galerkin (1D et 2D) pour la résolution des équations de Barré-Saint Venant en milieu urbain. Son caractère innovant a permis d’obtenir le financement d'une installation pilote de 25m² modélisant les inondations en ville. Cette activité s’inscrit donc dans une démarche d’amélioration continue des compétences acquises par la prise en compte simultanée de plus en plus de phénomènes physique, dans des configurations de plus en plus complexes. Les recherches menées sur les écoulements dans les ouvrages d’assainissement ont visé, quant à elles, au développement d’un outil de modélisation permettant la gestion en temps réel des réseaux d’assainissement à l’échelle de la ville.
Instabilités turbulence, diphasique
Présentation
La turbulence et les mécanismes de son apparition restent toujours le défi principal de la mécanique des fluides moderne.
A la différence de certains domaines de la physique, la mécanique des fluides possède une base solide sous la forme des équations de Navier-Stokes dont les limites de validité sont clairement établies. L’applicabilité des équations de Navier-Stokes à la plupart des écoulements d’intérêt pratique ne fait pas de doute et un grand nombre d’algorithmes numériques pour leur résolution est disponible.
Objectif/Contexte
La difficulté réside dans le caractère non-linéaire des équations et le fait que, à partir du moment où les effets de viscosité deviennent faibles, les solutions deviennent si compliquées que les moyens de calcul ne sont pas suffisants pour capter leur comportement spatial et temporel.
Face à cette difficulté, il n’existe que deux alternatives :
- effectuer des simulations directes, DNS, c’est-à-dire, résoudre les équations exactes dans des régimes où les effets visqueux gardent les solutions à la portée des moyens de calcul disponibles, ou
- tenter de rendre les solutions plus simples en faisant abstraction des détails.
Alors que l’approche 1) est rigoureuse, elle ne permet de traiter que très peu d’applications d’intérêt pratique. L’approche 2) se fixe essentiellement pour objectif des applications pratiques mais au prix d’une modélisation introduisant des erreurs incontrôlables et faisant perdre aux équations résolues une grande partie de leur pouvoir de prédiction.
L'écart entre les possibilités des simulations directes et les besoins des applications réelles ne pourra être comblé mécaniquement par des avancées technologiques.
Le rôle des DNS est donc celui d’un ”laboratoire” dont on attend qu’il fournisse dans un premier temps une explication sur la transition à la turbulence des écoulements pour aider par la suite à une construction de modèles sur des bases plus rationnelles.
Activités
Pour affronter la problématique ci-dessus, l’équipe réunit les compétences suivantes :
- Des outils de simulations adaptés à plusieurs situations se prêtant aux vérifications expérimentales
- Un savoir faire expérimental pour réaliser ces vérifications
- Des outils d’analyse numérique et théorique
- Un savoir faire de modélisation d’écoulements turbulents
Le besoin de développement d’outils et de compétences autour d’un même thème théorique motivant stimule la concentration des moyens humains et matériels vers un seul objectif.
La forte composante numérique nous a conduit également à réorienter nos outils informatiques vers un dispositif évolutif construit sur mesure et permettant une exploitation intensive multitâche et parallèle.
Enfin les chercheurs intervenant principalement sur ce thème collaborent avec les chercheurs du thème « hydraulique urbaine » sur la problématique notamment de la modélisation de la turbulence et du dépôt de particules dans les bassins de décantation (avec des publications en cours de finalisation sur les modèles bas Reynolds pour l’évaluation des tensions de Reynolds dans des écoulements à surface libre en conduite d’assainissement).
