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Simulation des inondations en milieu urbain lors dun évènement pluvieux extrême Robert MOSE, Quentin ARAUD, José VAZQUEZ, Pascal FINAUD-GUYOT IMFS (CNRS,

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1 Simulation des inondations en milieu urbain lors dun évènement pluvieux extrême Robert MOSE, Quentin ARAUD, José VAZQUEZ, Pascal FINAUD-GUYOT IMFS (CNRS, Université de Strasbourg, ENGEES, INSA Strasbourg)

2 Contexte 04/12/20122 Prévisions des hauteurs deau et des débits (PPRI) Ecoulements complexes et assez peu étudiés Outils informatiques peu validés Inondation Liège en juin 2008

3 Objectifs 04/12/20123 Numérique Disposer dun outil numérique prédictif des écoulements urbains Expérimental Disposer de données expérimentales de référence pour la compréhension des écoulements et la validation des modèles numériques Validation numérique Définir les domaines de validité des outils

4 Plan de la présentation 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/20124

5 Plan de la présentation 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/20125

6 Outil développé au laboratoire 04/12/20126 Equation de Barré de Saint-Venant 2D Eléments finis Discontinuous Galerkin

7 Code 2D - Equation de BSV 2D Conservation de la masse et de la quantité de mouvement 04/12/20127

8 La discrétisation spatiale : éléments finis discontinus 04/12/20128 U(x,y) = a x + b y + c U3U3 U1U1 U2 U2

9 Développements réalisées 1.Nouveau limiteur de pente 2.Intégration des flux numériques 3.Well-balanced 4.EigenVector Reconstruction a)Théorie (adaptée des travaux de GUINOT en volumes finis) b)Résultats 04/12/20129

10 EigenVector Reconstruction 04/12/ Runge Kutta 2EVR n n+1

11 1 ère étape : Projection 04/12/ vecteurs propres Projection dans la base des vecteurs propres Projection dans le référentiel de linterface

12 1 ère étape : 04/12/201212

13 2 2 2 nd étape : la reconstruction 04/12/ Maille iMaille j t = n+1/2 t V L n+1/2 ξ0ξ0 ξcξc ξ =cst n h(t n, ξ c ) h(t n, ξ 0 )

14 Récapitulatif 04/12/ )Reconstruction de V L n+1/2 et V R n+1/2 (à partir de h L et h R ) 2)Calcul du flux numérique 3)Calcul de U n+1 en une seule opération => moins dopérations => plus stable

15 Développements réalisées 1.Nouveau limiteur de pente 2.Intégration des flux numériques 3.Well-balanced 4.EigenVector Reconstruction a)Théorie b)Résultats 04/12/201215

16 Rupture de barrage 1D 04/12/ x0x0 X z 10 m 1 m 200 m

17 Rupture de barrage 1D 04/12/201217

18 Rupture de barrage sur fond sec 04/12/201218

19 PLAN DE LA PRESENTATION 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/201219

20 PLAN DE LA PRESENTATION 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation a.Présentation du dispositif b.Expériences réalisées c.Conclusions et perspectives 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/201220

21 Pilote inondation 04/12/ Interactions entre les carrefours dans un quartier Données expérimentales à léchelle du quartier Modèle réduit à léchelle du quartier Gestions complexes et peu flexibles des conditions aux limites Contrôle des conditions à la limites Banc expérimental flexible Limite de la biblioRéponse proposée

22 Présentation du dispositif 04/12/201222

23 PLAN DE LA PRESENTATION 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation a.Présentation du dispositif b.Expériences réalisées c.Conclusions et perspectives 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/201223

24 Grandeurs étudiées 04/12/ Répartition des débits Hauteur deau

25 Expériences et notation 1.Régime permanent 2.Pente faible 3.Débit total injecté 10 m 3 /h – 100 m 3 /h 4.Condition dinjection 0 % - 100% 5.Sortie libre Configuration x 10 m 3 /h.3 x 10% 04/12/ m 3 /h 70 m 3 /h

26 Expériences réalisées - influence du débit total injecté 04/12/ ExpérienceDébit totalInjectionMesures m 3 /h50 %Q m 3 /h50 %Q et h m 3 /h50 %Q et h m 3 /h50 %Q et h m 3 /h50 %Q et h

27 Analyse des résultats 04/12/ Répartition des débits GlobaleLocale Hauteur deau GlobaleLocale

28 Répartition des débits à léchelle du quartier 04/12/ ExpérienceQ Est Q sud 1.538,9 %61,1 % 2.539,3 %60,7 % 6.540,3 %59,7 % 8.540,5 %59,5 % ,9 %59,1 % Q sud Q Est

29 Analyse des résultats 04/12/ Répartition des débits GlobaleLocale Hauteur deau GlobaleLocale

30 Répartition des débits à léchelle de la rue 04/12/

31 Analyse des résultats 04/12/ Répartition des débits GlobaleLocale Hauteur deau GlobaleLocale

32 Hauteur deau 04/12/ Hauteur deau pour la configuration Hauteur deau pour la configuration 10.5

33 Hauteur deau 04/12/201233

34 Hauteur deau globale 04/12/ ,35

35 Analyse des résultats 04/12/ Répartition des débits GlobaleLocale Hauteur deau GlobaleLocale

36 Hauteur deau à léchelle de la rue 04/12/ Configuration 10.5Configuration

37 Différence de hauteur 04/12/201237

38 Hauteur deau normalisée 04/12/201238

39 PLAN DE LA PRESENTATION 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation a.Présentation du dispositif b.Expériences réalisées c.Conclusions et perspectives 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/201239

40 Bilan 1.Caractérisation du fonctionnement du quartier 1.Mise en évidence dinvariants 2.Prépondérance des effets dans les carrefours 3.Importance des pertes de charges singulières 4.Faible influence des conditions dinjection sur la répartition des débits Lien apparaît entre échelle locale et globale 04/12/201240

41 Perspectives 1.Mesures des vitesses 2.Influences des conditions à la limite aval 3.Ecoulements en régime torrentiel 4.Influence de la géométrie 04/12/201241

42 PLAN DE LA PRESENTATION 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/201242

43 Outils numériques testés 2 types de code testés : 1.Code 3D : Ansys-Fluent 2.Code 2D : Neptune 2D 04/12/201243

44 Ansys-Fluent 04/12/ Reynolds Averaged Navier Stokes equations 2.Modèle de turbulence k- 3.VOF mailles

45 Ansys-Fluent 30/11/2012 Araud, Q. - Simulation des inondations en milieu urbain lors d'un évènement pluvieux extrême 45

46 Conditions à la limite 04/12/ Conditions dentrée : Vitesse imposée Conditions de sortie : Pression imposée

47 Neptune 2D 1.Formule de Manning Strickler Ks = 80 m 1/3 s mailles 04/12/201247

48 Comparaison avec Ansys-Fluent 04/12/ Hauteur deau calculée avec Ansys-Fluent pour la configuration 10.5 Hauteur deau expérimentale pour 10.5 Ecart relatif entre le numérique et lexpérimental Hauteur deau expérimentale pour la configuration 10.5 Ecarts entre lexpérimental et le numérique pour la configuration 10.5

49 Comparaison avec Neptune 2D 04/12/ Ecart entre lexpérimental et le numérique Hauteur deau expérimentale pour la configuration 10.5 Hauteur deau calculée avec Neptune 2D pour la configuration 10.5

50 Comparaison pour la configuration /12/ Rue 4Rue A

51 Comparaison pour la configuration /12/ Rue 4Rue A

52 Répartition des débits /12/201252

53 Répartition des débits /12/201253

54 Discussion – Pression hydrostatique 04/12/ Ecarts entre la pression et la pression hydrostatique pour la configuration 2.5 Ecarts entre la pression et la pression hydrostatique pour la configuration 10.5

55 Zone de recirculation 04/12/ Echelle des vitesses Profil de vitesse avec Neptune 2D Profil de vitesse avec Ansys-Fluent 3D Profils de vitesse simulés

56 Bilan Ecarts dAnsys-Fluent de lordre de 10 % Ecarts Neptune 2D dépend des débits injectés 10 % pour un débit total de 20 m 3 /h plus de 20 % pour des débits supérieurs 04/12/201256

57 Bilan 1.Effets des pressions non-hydrostastiques 2.Mauvaise représentation des zones de recirculation 3.Absence de modèle de turbulence 04/12/201257

58 PLAN DE LA PRESENTATION 1.Développement dun outil numérique 2.Pilote inondation 3.Validation des outils numériques 4.Conclusions et perspectives 04/12/201258

59 Conclusions (numérique) Mise au point de loutil de modélisation Neptune 2D Plus rapide Plus stable Well-balanced Va lidation qualitative avec lexpérimental 04/12/201259

60 Conclusions (expérimental) Mise en place dun modèle réduit Données de validation Régime découlement particulier à léchelle du quartier Mise en évidences dinvariants Lien entre échelle locale et léchelle globale 04/12/201260

61 Conclusions (validation) Validation des outils numériques Ecarts avec Ansys-Fluent de lordre de 10% Ecarts pour Neptune 2D entre 10% et 20 % en fonction des débits injectés 04/12/201261

62 Perspectives (numériques) 1.Comparaison de Neptune 2D avec des codes volumes finis 2.Ajout dun modèle de turbulence 04/12/201262

63 Perspectives (expérimental) 1.Mesures de vitesses 2.Influence des conditions aux limites aval 3.Ecoulements torrentiels 4.Nouvelles géométries 04/12/201263

64 04/12/201264


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