Modelling bed-load sediment transport through a granular approach in SPH
Modélisation du charriage sédimentaire par une approche granulaire avec SPH
Résumé
This thesis presents the development and application of a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model to bed-load transport. While state of the art simulation methods commonly rely on a fluid dynamics solver coupled to semi-empirical relationships to model the sediment transport, a completely different approach is investigated in this work. The sediment is treated as a continuum whose behaviour law takes account for its granular nature. citepos{ulrich2013smoothed} elastic-viscoplastic model is thus implemented in an in-house code based on the Cuda language, and improved on physical and numerical aspects. The sediment behaviour depends on a yield stress determined according to Drucker-Prager's criterion. In unyielded regions, the shear stresses are calculated in line with the linear elastic theory. In yielded regions, a shear thinning rheological law is used and the transitions between solid and liquid states are ensured by a blending function driven by the strain rate magnitude and sediment granular properties. Water and sediment are modelled as two immiscible phases in the frame of a multi-phase SPH model with semi-analytical wall boundary conditions cite{ferrand2013unified}. An implicit viscous forces integration scheme is also developed to improve the code performance as for low-Reynolds flows.The multi-phase model, as well as the implicit viscous forces integration scheme, were validated on analytical test cases and good agreement was obtained. The multi-phase formulation has also proven its capability to handle flows involving high density ratio, while the implicit viscous forces integration scheme was successfully applied to the simulation of a non-Newtonian flow. The elastic-viscoplastic model was tested on dry and submerged granular flow problems. The model was able to correctly capture the liquid and solid states of the granular material, as well as the failure and the regime transitions. It was also applied to bed-load transport problems for which a good agreement with the experiment was generally found
Cette thèse a pour objet le développement d’un modèle de transport sédimentaire avec la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Si les modèles couramment proposés dans la littérature reposent sur un solveur hydrodynamique couplé à des lois semi-empiriques qui modélisent le transport sédimentaire, une approche différente est proposée ici. Dans le modèle proposé dans ce travail, la dynamique du sédiment est également résolue. Celui-ci est assimilé à un milieu continu dont la loi de comportement rend compte de la nature granulaire.Pour ce faire, le modèle élastique-viscoplastique d’Ulrich (2013) a été implémenté dans un code SPH préexistant programmé en langage Cuda, et amélioré du point de vue physico-numérique. Le comportement mécanique du sédiment dépend donc d’une contrainte de rupture déterminée conformément au critère de Drucker-Prager. Dans les zones du matériau où la rupture n’a pas eu lieu, les contraintes de cisaillement sont calculées selon la loi de Hooke généralisée. Dans les zones où la contrainte de rupture a été dépassée, le matériau est assimilé à un fluide rhéofluidifiant. Numériquement, la transition entre les deux états est opérée à l’aide d’une fonction de raccord qui dépend notamment du l’amplitude du taux de déformation et des propriétés granulaires du sédiment.L’eau et le sédiment sont modélisées comme deux phases immiscibles, dans le cadre d’une formulation SPH multi-phase. Pour ce faire, le modèle de Hu et Adams (2006) a été adapté aux modèles de conditions limites semi-analytiques (Ferrand, 2013). Enfin, un schéma d’intégration implicite des forces visqueuses a été développé dans ce contexte, afin d’améliorer les performances du solveur lors de modélisation d’écoulement à bas Reynolds.Plusieurs cas tests sont proposés pour valider le modèle multiphasique, le schéma implicite et le modèle élastique-viscoplastique. De manière générale, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et analytiques. Le modèle permet de représenter des écoulements multi-fluide avec une bonne précision, même en présence de grand rapport de densité entre les phases. Il en va de même pour les écoulements de fluide non-newtonien et les écoulements à bas Reynolds, pour lesquels le schéma implicite conduit à des résultats très satisfaisants. Enfin, le modèle élastique-viscoplastique a été appliqué à divers cas d’écoulements granulaires, dans le cas d’un matériau sec et saturé, ainsi qu’à des cas d’érosion et d’affouillement. Là encore, les résultats sont globalement en bon accord avec l’expérience
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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