Cette simulation est inspirée de la vidéo « 90ft Vertical Spike Wave in Slow Mo » réalisée par The Slow Mo Guys, et qui montre les résultats d’une expérience menée par l’Etablissement de recherche en énergie océanique FloWave. Nous utilisons des parties de leur vidéo afin de les comparer avec notre propre simulation. https://www.youtube.com/watch?v=iWKFPTgkpXo&t=105s La Vague Verticale en forme de Pic La Vague Verticale en forme de Pic fait suite au mouvement d’une vague concentrique vers son centre. En fonction de sa vitesse, la vague peut entrer en collision au milieu et former un pic d’eau. Cette vague peut être générée dans une piscine circulaire équipée de panneaux mobiles sur l’intégralité de son contour qui poussent l’eau en un mouvement coordonné vers le centre. Les panneaux doivent être activés en simultané en un même mouvement afin de pouvoir déplacer l’eau en un seul mouvement et la faire entrer en collision à la même vitesse et avec la même énergie. Si la vitesse est suffisamment haute, l’eau va s’élever au milieu de la piscine [Figure 1] et retomber en éclaboussant. Figure 1 - Vague verticale en forme de pic Paramétrage du modèle sur FLOW-3D® Le logiciel FLOW-3D a été utilisé pour paramétrer la simulation de la vague verticale en forme de pic, puis le résultat a été post-traité avec le logiciel FlowSight. Afin de pouvoir modéliser facilement la vague circulaire, la mesh a été définie selon des coordonnées cylindriques. Cela nous a permis notamment de ne simuler qu’une partie de la piscine [Figure 2], puis de la dupliquer lors du poste-traitement sur Flow Sight afin de donner l’impression que la piscine avait été simulée en entier. Figure 2 - Setup FLOW-3D La plupart des mesures étaient données dans la vidéo des Slow Mo Guys, donc il a été possible de faire la simulation correctement à l’échelle. La piscine fait environ 50m de long, et est équipée de 168 panneaux. Nous avons estimé qu’il fallait 4s aux panneaux pour faire un aller-retour avec un angle de 17.2°. Pour configurer la simulation, nous avons créé la piscine directement sur FLOW-3D en utilisant les géométries de base proposées par le logiciel, puis nous avons importé le panneau sous forme de fichier STL. Le panneau a été défini comme un objet mouvant [Figure 3], auquel il a été appliqué un mouvement défini à l’avance. L’eau est immobile à l’origine, et un mouvement des panneaux est suffisant pour générer la vague. Figure 3 - Panneaux poussant l'eau Résultats Le mouvement et l’énergie globaux du système correspondent à la réalité de manière assez précise. On peut apercevoir des différences au niveau de l’extrémité du pic : cependant l’effet est négligeable dans le cadre de notre comparaison, et serait facilement pris en compte dans une simulation complète en 3D avec un modèle physique à deux fluides. Figure 4 - L'expérience et la simulation côte à côte … [Read more...]
Augmentation de la Capacité de Déversement avec le Déversoir en Clef de Piano
Caractéristiques du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir – ou Déversoir en Clef de Piano – est un modèle particulier d'évacuateur en labyrinthe. Il est composé d’une alternance de surfaces inclinées, l’une dans le sens d’écoulement de l’eau, l’autre dans le sens opposé à l’écoulement. Chacune de ces pentes est séparée par un mur vertical suivant la géométrie. Vu d’en haut, il s’agit d’un rectangle découpé en sections de taille égales dans le sens de la largeur. Pour chacune des sections, l’un des côtés perpendiculaires au courant est abaissé, créant une pente sur laquelle l’eau peut couler ou s’accumuler, en fonction du côté sur lequel est abaissé la section. Cette structure surmonte une sorte de muret de hauteur variable. Le Piano Key Weir est généralement utilisé en sortie de barrage, l’idée étant de disposer d’une construction qui soit suffisamment solide pour résister à la pression créée par une quantité élevée d’eau dans un réservoir ou une rivière en période de crue, qui permette d’évacuer le trop-plein d’eau, et qui soit suffisamment simple pour ne pas être trop couteuse. Utilité du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir est donc un déversoir à écoulement libre. Du fait de sa géométrie, il est possible de faire augmenter sa capacité d’évacuation de manière significative. Les études menés sur ce type de déversoir ont deux objectifs : construire des déversoirs solides et peu couteux pour la suite, mais aussi renforcer les structures plus anciennes, ce qui permet notamment d’éviter les accidents. En effet, en les plaçant en aval de barrage et en amont des villes, ils permettent de contrôler le débit d’eau, et donc d’éviter les inondations. Le Piano Key Weir rend possible la décharge importante et contrôlée d’une quantité soudaine et très élevée d’eau. Ce type de déversoir présente plusieurs qualités primordiales. Tout d’abord, il est facilement installable sur des constructions déjà existantes, contrairement aux déversoirs en labyrinthe classiques. De plus, sa forme alternant les pentes montantes et descendantes permet de créer deux flux différents selon que l’eau arrive sur l’une ou l’autres des pentes. Lorsque l’eau passe dévale la pente descendante, elle coule sous forme de jet vers le bas du barrage, et lorsqu’elle est d’abord contenue par la pente ascendante, elle s’écoule sous forme de film avant de rejoindre le jet un peu plus bas. Cette division des flux permet de ralentir considérablement le débit d’eau, de manière beaucoup plus efficace qu’un barrage droit traditionnel pourrait le faire. Résultats de la simulation Afin d’observer les effets du Déversoir en Clef de Piano, nous avons effectué une simulation numérique avec le logiciel FLOW-3D® en en plaçant un dans un cours d’eau. Nous sommes restés sur un model setup classique, étant donné qu’il a été montré que c’était celui qui permettait d’obtenir les résultats les plus proches de la réalité. On observe bien l’écoulement caractéristique de l’eau sur les “touches” du piano, et la diminution du débit après le passage sur le déversoir. On observe une différence de seulement 2% à 4% entre les résultats expérimentaux et la simulation avec FLOW-3D en moyenne. Seule la résolution de la mesh est un facteur déterminant en ce qui concerne l’exactitude de la simulation, mais celle-ci n’a qu’une influence de 3-4% maximum, ce qui signifie que dans tous les cas les résultats ne montent, au plus, qu’à 6% d’erreur. … [Read more...]
Simulation hybride modele de saint-venant/3D de la rupture d’un barrage sur une topographie reelle
La simulation de l'effet de la rupture d'un barrage sur une topographie d'extension réelle était, jusqu'à il y a quelques années, un objectif très difficile à atteindre en raison du coût élevé du calcul. Une caractéristique innovante de FLOW-3D®, disponible depuis la version 11.0, permet d'utiliser une approche hybride, combinant une simulation 3D complète dans la zone du barrage, où les effets tridimensionnels du débit d'eau sont les plus importants, à une approche " eau bas " dans des zones plus éloignées. Cela permet d'obtenir une solution pour simuler rapidement et précisément ce type de problèmes. De plus, à partir de la version v11.1 de FLOW-3D®, vous pouvez facilement importer le fichier raster contenant la topographie en un seul clic, ce qui rend la phase de setup très simple. https://www.youtube.com/watch?v=Q7x55ohyDxA Video 1 : Overall view Dans la simulation, on a utilisé une topographie réelle d'un lac avec des montagnes : l'extension du domaine de calcul est d'environ 5'000 km2 et un hypothétique grand barrage a été créé dans la topographie. En utilisant tous les modèles physiques décrits ci-dessus et le modèle " General moving objects " pour simuler avec précision la rupture du barrage en 3D, il a été possible de prédire l'effet de la rupture, la zone affectée et la zone immergée dans la topographie. La simulation dure plus de 35 minutes en temps réel, simulant de façon transitoire l'impact de l'eau sur la topographie jusqu'à ce que le bassin soit complètement vidé. L'écoulement à travers le barrage est un résultat intéressant de la simulation. L'ensemble du post-traitement a été réalisé grâce aux nombreuses fonctionnalités du logiciel dédié FlowSight, notamment : caméra mobile, différentes couleurs réalistes pour la topographie et l'eau, réglage fin des transparences et des reflets lumineux pour rendre la visualisation aussi réaliste que possible, utilisation de textures pour représenter la surface du barrage, caméra mobile pour suivre la trajectoire du fluide, plusieurs graphiques et fenêtres pour montrer en une seule vue tous les aspects essentiels de la simulation. https://www.youtube.com/watch?v=xsKx4L9QThI Video 2 : flow depth La vidéo 1 présente une vue d'ensemble de l'écoulement de l'eau avec des couleurs réalistes. La vidéo 2, en revanche, est une analyse plus " scientifique " : l'eau est colorée avec la profondeur du fluide, en utilisant une échelle de 20 couleurs pour mettre en évidence la différence de profondeur même sur de petites parties de l'échelle, et le sol est coloré avec la hauteur. Enfin, un graphique du débit à travers un diaphragme positionné sur la paroi du barrage est présenté. Une série de rendus réalistes sont sauvegardés dans les images, dont certains ont évolué avec le temps. … [Read more...]
Simulation d’une turbine Pelton – du transitoire de démarrage à l’état du régime
Les turbines Pelton (ou roue Pelton) sont les turbines les plus utilisées dans le monde pour la production d'électricité dans les centrales hydroélectriques, en raison de leur haut rendement. Son design date de 1870 mais, avec quelques modifications, il reste le premier choix des nouvelles centrales électriques. Dans une turbine Pelton, l'énergie est extraite de l'énergie cinétique de l'eau, contrairement à d'autres types de turbines où la pression hydrostatique est utilisée : l'eau, provenant d'un bassin supérieur, est accélérée et éjectée contre les aubes de la roue Pelton. La géométrie de la palette est conçue pour absorber autant que possible l'énergie cinétique du fluide et commencer à tourner. La vitesse de rotation de la turbine est ensuite convertie en énergie électrique par une bobine conductrice. La simulation analyse le transitoire initial de la turbine, où l'eau à plus de 100 m/s impacte la pale de la roue Pelton fournissant couple et accélération angulaire. https://www.youtube.com/watch?v=lb2xEbHmWKw Toutes les géométries et les données utilisées dans la simulation sont réalistes et cohérentes avec le phénomène réel : la géométrie de la roue a une forme et des propriétés de masse réelles, le fluide est l'eau avec une vitesse raisonnable et la buse contient une valve doble, utilisée dans les turbines réelles pour ajuster le débit d'eau. Intéressant est le graphique de la vitesse angulaire de la roue. Pour les turbines Pelton, on sait que le rendement maximal est atteint lorsque la vitesse périphérique de la roue atteint environ la moitié de la vitesse de l'eau à la buse. Pour ce faire, une sonde a été placée au centre de la buse afin de surveiller la vitesse du fluide, tandis qu'une autre sonde a été fixée à une pale de roue afin de capter la vitesse périphérique. Les deux grandeurs peuvent être affichées directement en sortie de la simulation. Les vidéos utilisent largement les fonctionnalités de Flowsight : transparence basée sur la valeur des variables, caméra mobile, réglage fin de la lumière et des reflets, visualisation multi-tracés et multi-vues. https://youtu.be/TddbeL1lK9I … [Read more...]
