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Flow modelling in compound channels : momentum transfer between main channel and prismatic or non-prismatic floodplains

by Bousmar, Didier

Abstract (Summary)
Flow modelling in a compound channel is a complex matter. Indeed, due to the smaller velocities in the floodplains than in the main channel, shear layers develop at the interfaces between these subsections, and the channel conveyance is affected by a momentum transfer corresponding to this shear layer, but also to possible geometrical changes in a non-prismatic reach. In this work, a one-dimensional approach, the Exchange Discharge Model (EDM), is proposed for such flows. The EDM accounts for the momentum transfer between channel subsections, estimated as proportional to the velocity gradient and to the discharges exchanged through the interface; where two main processes are identified : (1) the turbulent exchange, due to the shear-layer development; and (2) the geometrical transfer, due to cross-sectional changes. The EDM is successfully validated for discharge prediction, but also for water-profile computation, through comparison with existing laboratory and field measurements. The momentum transfer due to turbulent exchanges is then studied experimentally, theoretically and numerically. At first, new experimental data, obtained by using Particle Tracking Velocimetry techniques, are presented : the periodical vortex structures that develop in the shear layer are clearly identified and characterised. Secondly, a hydrodynamic linear stability analysis enables to predict quite successfully the wave length of some observed vortices. Lastly, an Unsteady-RANS numerical method is used to simulate the perturbation development. The estimated vortex wave lengths agree again with the measurements and the theoretical predictions, although vortices merging occurs in the simulation results, which was actually not observed experimentally. The velocity-profile prediction is found improved when the effect of vortices is considered, thanks to the corresponding additional shearing. The geometrical transfer is also investigated experimentally and numerically. Novel experiments are designed, with the measurements of the flow in a compound channel with symmetrically narrowing floodplains. The mass transfer and the evolution of the flow distribution along the channel length are clearly observed. A significant additional head loss due to this transfer is measured, in accordance with the EDM hypothesis. Measured water profiles are finally compared successfully with the EDM predictions. In addition to the EDM development and validation, the so-called Lateral Distribution Method (LDM) is also investigated and the significance of the secondary-currents models proposed by previous authors for this method is discussed. When considering the velocity-profile prediction, the effect of these helical secondary currents is again clearly highlighted, by using dispersion terms in the Saint-Venant equations. However, the actual physical meaning of the related dispersion coefficients remains uncertain. In addition, an extended LDM is also proposed and discussed for non-prismatic flow modelling, using the new narrowing-channel data set./La modélisation des écoulements dans les rivières à plaines inondables est particulièrement complexe. En effet, la vitesse de l'eau étant plus faible sur la plaine d'inondation que dans le lit mineur, une couche de cisaillement se développe à l'interface entre ces sous-sections. La débitance totale de la rivière est dés lors réduite, à cause du transfert de quantité de mouvement qu'occasionne la présence de la couche de cisaillement, mais aussi de part les changements de géométrie qui peuvent se produire dans un lit non-prismatique. La présente thèse propose, pour la représentation de tels écoulements, une nouvelle approche uni-dimensionnelle dénommée Modèle des Débits d'Echange ("Exchange Discharge Model" – EDM). Le transfert de quantité de mouvement entre les soussections de la rivière est pris en compte par l'EDM comme étant proportionnel au gradient de vitesse entre celles-ci et aux débits échangés à travers leur interface. A cette interface, deux phénomènes sont essentiellement présents : (1) un échange turbulent, dû au développement de la couche de cisaillement; et (2) un transfert géométrique, correspondant aux changements de section. L'EDM est validé avec succès pour la prédiction du débit et pour le calcul de lignes d'eau, par comparaison avec des données existantes de laboratoire et de terrain. Le transfert de quantité de mouvement dû à l'échange turbulent est ensuite étudié expérimentalement, théoriquement et numériquement. De nouvelles mesures sont obtenues, au moyen d'une technique de vélocimétrie par suivi de particules. Les structures périodiques qui se développent dans la couche de cisaillement sont clairement identifiées et caractérisées. Deuxièmement, une analyse linéaire de stabilité hydrodynamique permet de prédire théoriquement les longueurs d'onde de quelques tourbillons qui ont été observés expérimentalement, et ce avec succès. Enfin, un modèle numérique, de type "Unsteady-RANS", est utilisé pour simuler la croissance des tourbillons dans la couche de cisaillement. Encore une fois, les longueurs d'onde obtenues correspondent relativement bien avec les valeurs mesurées et prédites théoriquement; bien que les coalescences de tourbillons qui se produisent numériquement n'aient pas été observées expérimentalement. La prédiction des profils de vitesse est améliorée, lorsque l'effet des tourbillons est considéré, grâce à la contrainte de cisaillement additionnelle que ceux-ci génèrent. Les transferts géométriques sont également explorés expérimentalement et numériquement. Une nouvelle campagne expérimentale a été réalisée, en considérant l'écoulement dans un lit composé symétrique, dont les plaines d'inondation se rétrécissent progressivement. Le transfert de masse entre sous-sections et la redistribution des débits qui lui est associée sont clairement observés au long du canal. Une importante perte de charge additionnelle due à ce transfert est mesurée, en concordance avec les hypothèses de l'EDM. Finalement, les lignes d'eau mesurées sont reproduites avec succès par un calcul utilisant l'EDM. En complément au développement et à la validation de l'EDM, la "Lateral Distribution Method" (LDM) est également utilisée, avec pour objectif la clarification du rôle des termes de courants secondaires proposés par différents auteurs. Par rapport à la prédiction du profil de vitesse, l'effet de ces courants secondaires est très marqué. Il est ici reproduit en utilisant des termes de dispersion dans les équations de Saint-Venant. Cependant, le sens physique des valeurs des coefficients de dispersion qui doivent être utilisés est discutable. Par ailleurs, une LDM étendue, pour les écoulement en lits nonprismatiques, est proposée et commentée, en utilisant le nouveau jeu de données pour le canal convergent.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Université catholique de Louvain

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:flow resistance floodplain résistance à l écoulement plaines d inondations open channel compound lit composé flood hydraulique ecoulement surface libre hydraulics

ISBN:

Date of Publication:02/12/2002

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