Modélisation tridimensionnelle des écoulements multiphasiques en régime instationnaire au droit d’ouvrages spéciaux présents en réseau d’assainissement : performances des modèles et analyse de sensibilité

CFD modeling of multiphase transient flows through complex structures in sewers: performances and sensitivities of models

¹ Université de Lyon, INSA Lyon, LGCIE - Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale, F-69621 Villeurbanne cedex, France
e-mail : adrien.momplot@insa-lyon.fr
² LMFA, CNRS-Université de Lyon, INSA de Lyon, Bât. Joseph Jacquard, 20 Avenue Albert Einstein, F-69621 Villeurbanne cedex, France
e-mail : emmanuel.mignot@insa-lyon.fr

Résumé

Avec l’augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs, la simulation 3D devient de plus en plus envisagée en tant qu’outil de conception ou d’instrumentation de sites en réseau d’assainissement. De plus, elle permet la compréhension complète de certains écoulements particulièrement complexes et souvent rencontrés en réseau d’assainissement, du fait des nombreux ouvrages spéciaux présents. Nous proposons d’utiliser l’approche RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) implémentée dans plusieurs codes de calcul commerciaux pour simuler ces écoulements. L’un des défauts majeurs de ces codes de calcul est le manque de fiabilité de certains résultats numériques, due à la non-connaissance des incertitudes liées au choix d’une stratégie de modélisation plutôt qu’une autre. Le but de cette étude est de pouvoir quantifier ces incertitudes et définir la plage d’erreur associée aux résultats de simulation, pour le plus de conditions hydrauliques et de stratégie de modélisation possible. À terme, l’objectif est de pouvoir étendre l’usage de ces codes aux bureaux d’étude en hydraulique dans le but de mieux concevoir ou mieux instrumenter des sites en vue d’améliorer la qualité des observations. Les cas d’études sélectionnés comprennent une canalisation circulaire relativement simple à modéliser mais dont l’écoulement reste complexe et une jonction à 90°. La canalisation a permis l’étude de la sensibilité des résultats de modélisation aux paramètres géométriques. Les premiers résultats montrent que la solution est sensible au changement de rugosité même en régime torrentiel. La jonction sert à évaluer les performances des nombreuses stratégies de modélisation qu’il est possible d’adopter, et leurs effets sur les résultats de simulation. Le modèle de proche-paroi « Scalable » semble pertinent pour ce type d’écoulements.

Abstract

With the computational power increasing, CFD modelling is more viable as a design tool or help for site instrumentation in sewers. Moreover, it allows a complete understanding of complex flows often encountered in urban drainage systems. We propose to use the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) approach, implemented in many commercial codes for the simulation of these flows. However, one of the major lacks of these codes is the unreliability of some numerical results, due to the ignorance of uncertainties associated to modelling strategy. This paper aims to quantify these uncertainties and define the range of errors related to numerical results for the largest range of hydraulic conditions and modelling strategies. The expected goal is to extend the use of the RANS approach to practitioners in order to better understand complex hydrodynamics and to be able to improve in situ equipment location and observations. The selected cases for this study are a circular pipe which seems simple to model but with a complex flow pattern and a 90° angle open channel junction. The sensitivity analysis of the model has been investigated by means of pipe flow simulations regarding geometric parameters. First results show that numerical results are sensitive to roughness, even in supercritical conditions. The junction case is used to evaluate the performance of various modelling strategies that we can adopt as well as their impact on simulation results. The wall-law “Scalable” seems to be relevant for this kind of flows.