Article de recherche / Research Article

Apports et enjeux de la modélisation hydraulique 3D pour la conception et la réhabilitation des ouvrages hydrauliques

Practical capacities and challenges of 3D CFD modeling in design and rehabilitation of hydraulic structures

^* Correspondance : yanis.oukid@tractebel.engie.com

Reçu : 29 Novembre 2019
Accepté : 24 Juin 2020

Résumé

Jusqu'à ces dernières années, les études détaillées des ouvrages hydrauliques étaient réalisées quasiment systématiquement par le biais de modèles physiques. Si l'utilisation de modèles physiques permet de bien appréhender le comportement hydraulique des ouvrages, ils sont en général coûteux, requièrent un temps de mise en œuvre important et ne peuvent représenter que les phénomènes hydrauliques pour lesquels ils ont été définis par similitude. De nos jours, grâce à la puissance de calcul toujours plus grande des ordinateurs et au développement des logiciels spécialisés, la modélisation numérique 3D est devenu un outil flexible et puissant pour accompagner et compléter la modélisation physique, voire même la remplacer dans certains cas. Cet article décrit les apports et enjeux de la modélisation hydraulique 3D pour la conception et la réhabilitation des ouvrages hydrauliques. Il présente, dans un premier temps, comment la modélisation numérique 3D a d'abord été validée sur une large gamme de phénomènes hydrauliques, puis comment elle est exploitée par Tractebel sur plusieurs grands projets, pour analyser et optimiser la conception ou l'exploitation des structures hydrauliques en appui des méthodes analytiques et modèles physiques. Des exemples d'applications complémentaires sont présentés tels que la modélisation de grands évacuateurs de crues, un canal d'amenée, une prise d'eau usinière, ou encore les phénomènes d'entraînement d'air et de dissipation d'énergie dans un ressaut hydraulique ou dans une fosse d'érosion. Les possibilités et les limites de la modélisation 3D sur ces divers sujets sont discutées. Des méthodes de modélisation simplifiées ont été développées pour répondre à des questions spécifiques de manière optimisée. Les procédures élaborées pour chaque cas particulier sont décrites de manière à fournir des processus indicatifs pour le déploiement de la modélisation hydraulique 3D dans des projets d'ingénierie, et ainsi y apporter une valeur ajoutée. En se basant sur l'expérience de Tractebel, les limites et défis qui restent à surmonter sont discutés, avec un accent mis sur la modélisation de l'entraînement d'air.

Abstract

Until recent years, detailed studies of hydraulic structures were made almost systematically by hydraulic physical models. On the one hand, physical models offer great capabilities to understand the hydraulic behaviour of the studied flows; on the other hand, physical models are in general rather expensive and time consuming, and can only represent hydraulic phenomenon for which it was defined through similarity laws. Nowadays, given the increasing computational capabilities and further development of specialized software, 3D CFD modelling became a flexible and powerful tool to support and complete physical modelling, or even replace it in certain cases. This article describes the contributions and challenges of 3D CFD modelling applied to the design and operation of hydraulic structures. First, the article presents how the 3D CFD tool has been validated on a large range of hydraulic phenomena, then how it has been exploited by Tractebel on several large projects to analyse and optimize the design or operation of hydraulic structures, in support to analytical methods and physical models. Several ways to exploit 3D CFD models are developed, either at early stages of the design process, ahead or together with a physical model to optimize its exploitation. Application examples are presented, among which the modelling of large gated overflow spillway, headrace channel, powerhouse intake, air entrainment modelling for energy dissipation in a hydraulic jump or in a plunge pool. Possibilities and limitations of the 3D CFD tool on these various topics are discussed. Simplified modelling methods have been developed to address specific issues, in an optimized way. The procedures developed for each particular case are described so as to provide indicative frameworks for deploying 3D CFD tools in engineering projects, and provide added value. Based on Tractebel experience, the limitations and challenges that have still to be overcome are discussed, with an emphasis put on the modelling of air entrainment.