Lagrangian description for the drift of large floating debris in rivers during floods

Abstract

Cette thèse de master propose un modèle Lagrangien bidimensionel de la dérive d’objets flottants sur des rivières durant des épisodes d’inondations. Une attention particulière est portée sur la prédiction d’obstruction de pont par ces débris. Elle comprend trois parties : (1) une revue de la littérature visant à recenser les travaux antérieurs pertinents, établissant ainsi les bases théoriques existantes et identifiant les lacunes de recherche à approfondir ; (2) le développement du modèle utilisé dans cette thèse, comprenant un modèle dynamique et un modèle de collision ; (3) une étape de validation ayant pour but de reproduire des simulations et expériences de la littérature et aussi de simuler des écoulements réels.

La revue de la littérature a identifié deux grandes familles de modèles, l'une proposant un modèle plus axé sur la dynamique fondamentale de l’objet flottant et l’autre plus axée sur une application en cas réel. Ces deux courants se distinguent aussi dans les modèles de collisions. Cependant, la littérature ne fournit ni modèle d’obstacle, ni modèle de détection. En revanche, les corrections à apporter sont souvent détaillées.

Un modèle dynamique et un modèle de collision ont ainsi été développés. Le modèle dynamique s’inspire de la littérature tandis que le modèle de collision est innovant en termes de représentation d’obstacles et de détection. En particulier, le modèle consiste en une représentation rectangulaire de l’obstacle. Cela permet une étude systématique de différents types de collisions et détections existantes sur une telle forme. Une implémentation a été menée, visant la modélisation d’un unique cylindre flottant.

Deux phases de simulations de cylindres flottants ont été lancées. Une première sous un écoulement hypothétique, permettant de vérifier les cas de base quant au comportement du cylindre. Quant aux collisions, les cas types identifiés par le modèle ont été vérifiés ainsi que des cas plus complexes de collisions multiples et simultanées. Ensuite, une confrontation avec les résultats de la littérature a permis de valider le modèle et de tester la simulation de collisions sur des cas de la laboratoires.

L’étude a été axée sur la prévision d’obstruction du canal par blocage du cylindre entre divers obstacles. Les résultats ontdémontré la capacité du code à prédire ce phénomène et ce, dans des situations variées. Outre des obstructions permanentes, des obstructions temporaires ont été remarquées dans diverses configurations.

Enfin, les limites du modèle ainsi que du code ont été analysées et des perspectives pour de futurs travaux ont été proposées.

This Master's Thesis presents a two-dimensionnal Lagrangian model of the drift of floating objects on rivers during flood events. Particular attention is paid to the prediction of bridge obstruction by such debris. It comprises three parts: (1) a literature review aiming to list relevant previous work, thus establishing the existing theoretical bases and identifying research areas in need of further investigation; (2) the development of the model used in this thesis, comprising a dynamic model and a collision model; (3) a validation stage with the aim of reproducing simulations and experiments from the literature, and also simulating real flows.

The literature review identified two main categories of model, one focusing on the fundamental dynamics of the floating object, the other on real-life applications. These two trends can also be distinguished in collision models. However, the literature provides neither obstacle nor detection models. On the other hand, the corrections to be made are often detailed.

A dynamic model and a collision model have been developed. The dynamic model is inspired by the literature, while the collision model is innovative in terms of obstacle representation and detection. In particular, the model consists of a rectangular representation of the obstacle. This enables a systematic study of the different types of collisions and detections existing on such a shape. An implementation has been carried out to model a single floating cylinder.

Two phases of simulations of floating cylinders were launched. The first was carried out under hypothetical flow conditions, to verify the basic cases of cylinder behavior. As for collisions, the typical cases identified by the model were verified, as well as more complex cases of multiple and simultaneous collisions. The model was then validated by comparison with results from the literature, and the simulation of collisions was tested on cases from the laboratory.

The study focused on predicting channel obstruction by blocking the cylinder between various obstacles. Experiments showed that the code was capable of such predictions, in a variety of situations. In addition to permanent obstructions, temporary obstructions were also observed in many configurations.

Finally, the limitations of both the model and the code were analyzed, and prospects for future work were proposed.