Thèse Année : 2024

Experimental study of unsteady flows in urbanised areas

Étude expérimentale des écoulements instationnaires dans les zones urbanisées

Résumé

The failure of hydraulic structures can result in the propagation of flood waves across large domains containing rural and urban areas. Such events would cause rapid flooding with complex flows, leading to catastrophic consequences for downstream populations and facilities, and devastating natural environments and ecosystems. Unfortunately, climate change is expected to increase the probability of extreme weather events, and the rise of intense rainfall presents new challenges for managing hydraulic dams. Additionally, the rapid expansion of urban areas increases communities’ vulnerability to flooding.Therefore, it is crucial to accurately describe these complex phenomena and predict their evolution using numerical models. The validation and calibration of these models are performed using data from laboratory studies, as there are scarce observations and measurements from real-case event. Furthermore, the highly transient nature of these phenomena poses challenges for current metrology, contributing to a lack of precise and comprehensive data on these phenomenons within the scientific community.To advance our understanding of the physical processes involves and validate numerical models, an experimental setup was developed at the EDF Lab Chatou in France. This setup enables the study of dam-break wave propagation through a series of obstacles representing idealised urban areas. The objective is to characterise the flow dynamics and analyse how various urban parameters, such as building spacing and number of streets, influence the flood process. Wave sensors measure water levels upstream, within, and downstream of the urban area. Additionally, a high-speed camera positioned above the flow performs Large-Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) measurements to calculate the instantaneous velocity field of the free surface. Moreover, the interaction between the wave and obstacles is documented using a high-speed camera along the channel and the water elevation in this area is calculated using image analysis measurements. Finally, the global impact of the urban forms on the flow is analysed through energy head calculations downstream of them.Simultaneously, detailed numerical simulations of the observed flows are conducted using the open-source Computational Fluid Dynamics (CFD) solver code_saturne. The initial validation of the model is carried out on simple urban configurations, identifying areas for improvement. Finally, simulations of a selected number of urban forms are performed to extend the experimental dataset. Previously measured punctual tendencies of the energy head are confirmed through profile analysis, and head loss coefficients related to the studied urban parameters are extracted.Overall, the thesis results contribute to a new dataset on unsteady flows in urbanised areas, enhancing understanding of these complex phenomena and supporting the validation of numerical models. Moreover, with improved knowledge of these phenomena, communities can develop safer urban planning strategies and optimise the design of industrial safety measures. A novel method to assess the influence of various urban parameters on the flow using the spatially averaged energy head is proposed. This method could support the calibration of simplified numerical models to account for the effects of urban areas on large-scale flood studies. This work aims to protect both property and people within a changing environmental and societal context.

La rupture d’un ouvrage hydraulique peut entraîner la propagation d’une vague d’inondation sur de vastes domaines comprenant à la fois des zones rurales et urbaines. Un tel événement engendrerait une inondation rapide avec des écoulements complexes qui aurait des conséquences catastrophiques pour les populations et les installations situées en aval. Malheureusement, les changements climatiques pourraient augmenter les probabilités d’événements météorologiques extrêmes et l’augmentation des épisodes de pluies intenses pose de nouveaux défis pour la gestion des barrages hydrauliques. De plus, l’expansion rapide des zones urbaines accroît la vulnérabilité des communautés face aux inondations. Il est donc crucial de pouvoir décrire précisément ces phénomènes complexes et d’en prédire l’évolution à l’aide de modèles numériques. La validation et la calibration de ces modèles reposent en grande partie sur des données issues d’études en laboratoire car il existe peu d’observations et de mesures de cas réels. De plus, la nature fortement transitoire des phénomènes observés pose des défis à la métrologie actuelle, entraînant un manque de données précises et complètes dans la communauté scientifique. Pour améliorer notre connaissance des phénomènes physiques engendrés par la présence d’obstacles sur l’écoulement et valider les modèles numériques, un dispositif expérimental a été développé, sur le site EDF Lab Chatou en France. Il permet d’étudier la propagation d’une onde de submersion à travers un ensemble d’obstacles représentant des quartiers urbains simplifiés. L’objectif est de caractériser l’écoulement et d'analyser comment différents paramètres urbains, tels que l'espacement des bâtiments ou le nombre de rues, influent sur l’inondation. Des sondes acoustiques mesurent la hauteur d’eau en amont, au sein, et en aval de la zone urbaine. De plus, une caméra haute fréquence est placée au-dessus de l’écoulement et qui grâce à une analyse LSPIV (Large-Scale Particle Image Velocimetry) permet de mesurer le champ de vitesse instantané de la surface libre. L’impact entre la vague et les obstacles est documenté grâce à une caméra haute fréquence placée le long du canal, et le niveau d’eau dans cette zone est calculé à l’aide de mesures par analyse d’images. Enfin, l’impact global des formes urbaines sur l’écoulement est analysé à travers le calcul de la charge hydraulique en aval de celles-ci. En parallèle, des simulations numériques des écoulements observés sont réalisé à l’aide du logiciel CFD (Computational Fluid Dynamics) libre code_saturne. La validation initiale du modèle est effectuée sur des configurations urbaines simples, identifiant des domaines à améliorer. Enfin, des simulations d’un nombre sélectionné de formes urbaines sont réalisées pour étendre la base de donnée expérimentale. Les tendances ponctuelles précédemment mesurées de la charge hydraulique sont confirmées par l’analyse des profils, et les coefficients de perte de charge liés aux paramètres urbains étudiés sont extraits. Finalement, les résultats de la thèse alimentent une nouvelle base de données pour les écoulements instationnaires dans les zones urbanisées, permettant une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu et participant à la validation des modèles numériques. De plus, grâce à une meilleure connaissance de ces phénomènes, les collectivités pourront élaborer des stratégies d’urbanisation plus sûres et optimiser le dimensionnement des dispositifs de sécurité industrielle. Une nouvelle méthode pour évaluer l’influence de divers paramètres urbains sur l’écoulement en utilisant la charge hydraulique moyennée spatialement est proposée. Cette méthode pourrait aider la calibration de modèles numériques simplifiés pour tenir compte de l'effet des zones urbaines dans les études d'inondation grande échelle. Ce travail s'inscrit donc dans une optique de protection des biens et des personnes dans un contexte environnemental et sociétal changeant.

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  • HAL Id : tel-04971597 , version 1

Citer

Elisa Beteille. Experimental study of unsteady flows in urbanised areas. Fluid mechanics [physics.class-ph]. École des Ponts ParisTech, 2024. English. ⟨NNT : 2024ENPC0027⟩. ⟨tel-04971597⟩
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