Modelling of fast hydraulic transients: issues, challenges, perspectives

Modélisation des transitoires hydrauliques sévères : enjeux, défis, perspectives

¹ Université catholique de Louvain, Ecole Polytechnique de Louvain,
e-mail : yves.zech@uclouvain.be
² Université catholique de Louvain, Ecole Polytechnique de Louvain,
e-mail : sandra.soares-frazao@uclouvain.be
³ Fond de la Recherche Scientifique - FNRS,
e-mail : sylvie.vanemelen@uclouvain.be

Abstract

The paper proposes an overview of different modelling approaches used for severe transients, particularly dam-break waves. One-, two- and three-dimensional approaches are briefly recalled with some examples in order to highlight their strengths and weaknesses, especially regarding the accurate speed of information through the numerical schemes. Two examples are developed with more details in order to highlight the result sensitivity to the selected model: the classical circular dam break and its dependency on the mesh, and the behaviour of the dam-break flow in a 90° bend. Experimental data are also presented in order to show that, even in the near-field, hydrostatic pressure assumption has a limited impact on the accuracy. Some results from Smoothed Particle Hydrodynamics are also compared to common Eulerian approaches. In order to use the best of each approach, hybrid methods are also considered through the example of the 90° bend.

Fast transients generally induce erosion and deposition of large amounts of sediment. The challenge is now to account for the inertia of the sediments suddenly mobilised. A two-layer model is proposed, with some assumptions, not wholly in line with experimental observations, but with promising results. Several improvements are tested but closure equations remain delicate and require more fundamental investigations.

Résumé

Le papier propose un survol de différentes approches utilisées pour modéliser des transitoires sévères, en particulier l'onde de rupture de barrage ou de digue. Les principes des approches uni-, bi- ou tridimensionnelles sont rappelés avec leurs forces et leurs faiblesses, spécialement concernant la célérité de l'information au sein du schéma numérique. Deux exemples sont développés pour illustrer la sensibilité des résultats au choix du modèle : la rupture d'un barrage circulaire et l'onde de rupture dans un coude à 90°. Des mesures expérimentales sont aussi présentées pour montrer l'impact limité de l'hypothèse de distribution hydrostatique de pression. En vue de tirer bénéfice des avantages de chaque approche, des méthodes hybrides sont illustrées à travers l'exemple du coude à 90°.

Les transitoires sévères induisent généralement une grande quantité d'érosion et de dépôt. Dans ce cas, l'enjeu est de tenir compte de l'inertie des sentiments brusquement mobilisés. Un modèle à deux couches est proposé, avec des hypothèses non parfaitement conformes aux observations, mais avec des résultats prometteurs. De récentes pistes d'amélioration ont été testées mais les équations de fermeture demeurent délicates.