3D numerical simulation of ship-induced waves and sediment transport in restricted waterways

Simulation numérique 3D des ondes de batillage et du transport sédimentaire induits par les bateaux dans les voies navigables

¹ Université de Technologie de Compiègne. Laboratoire Roberval, UMR CNRS 7337. Centre de recherches Royallieu BP 20529, 60206 Compiègne cedex, France -
e‑mail: ouahsine@utc.fr, jishengc@utc.fr.
² CETMEF. 134, rue de Beauvais F-60280 Margny Les Compiègne, France -
e-mail : Philippe.Sergent@developpement-durable.gouv.fr, Hassan.Smaoui@developpement-durable.gouv.fr

Abstract

In inland waterways, the wave wake is the main factor that erodes the banks and the alluvial bottom. It may cause sediment resuspension into the water column. A 3D hydrodynamic model based on the Navier-Stokes equations is developed to reproduce these wave wakes and analyze their kinematic characteristics. Then, a 3D model of sediment transport is coupled with the hydrodynamic model to estimate the influence of the wakes and return current to the resuspension of sediments. The coupled model was validated with the experimental data of the Compagnie Nationale du Rhône (CNR, 1997b). The numerical results show that the maximum value of Suspended Particulate Matter (SPM) is proportional to the Froude number (Fr), and also used to estimate the influence of the blocking coefficient (Cb) on sediment transport induced by the passing ship.

Résumé

Dans les voies navigables intérieures, le batillage constitue le facteur principal d'érosion des rives et du fond alluvial. Dans cet article, un modèle d'hydrodynamique 3D, basé sur les équations de Navier-Stokes, est présenté pour simuler ces ondes de batillage et en tirer les caractéristiques cinématiques. Ensuite, un modèle 3D de transport de sédiments est couplé avec ce modèle d'hydrodynamique afin d'estimer les influences du sillage et des courants de retour sur la remise en suspension de sédiments. Le modèle ainsi couplé a été validé avec les résultats expérimentaux de la Compagnie Nationale du Rhône (CNR, 1997b). Les résultats numériques montrent que la valeur maximale de la Matière En Suspension (MES) est proportionnelle au nombre de Froude (Fr), et permettent également d'estimer les influences du coefficient de blocage (Cb) sur le transport sédimentaire induit par le passage d'un bateau.