Description du poste

L’objectif de la thèse est de mettre en place une modélisation fine échelle des phénomènes d’affouillement autour de structures posées sur un sol sableux, soumis à l’action des vagues et des courants en profondeur intermédiaire. Les principaux verrous scientifiques identifiés sont : la modélisation de la turbulence et simulation précise de l’écoulement hydrodynamique induit par la dynamique tourbillonnaire, et l’écoulement sédimentaire. La thèse sera organisée en 3 étapes.

Etape 1 : Collecte de données, construction de scénarios, paramétrisation

Les scénarios des futures simulations seront construits en fonction des entrées/sorties des autres échelles de modélisation du projet MODULLES.

  • Une sélection de cas expérimentaux en canal sera jouée numériquement. Cela permettra d’évaluer les performances des différents modèles de turbulence mis en place.
  • Un cas démonstratif d’écoulement autour d’une monopile dans une configuration représentative de l’implantation du parc de Dunkerque et des conditions océano-météorologiques sur site sera mis en place, afin de montrer les possibilités applicatives d’un tel outil numérique. Les simulations grande échelle sous CROCO et TELEMAC fourniront des conditions aux limites pour la simulation CFD.

Etape 2 : Simulation hydrodynamique de l’interaction fluide-structure sous l’action combinée des vagues et du courant

La·le doctorant·e travaillera sur des simulations en hydrodynamique pure, c’est-à-dire sans sédiment, représentant l’écoulement autour d’un cylindre vertical partiellement enfoui. L’objectif sera d’évaluer trois approches de modélisation de turbulence : Large-Eddy Simulations (LES), Detached-Eddy Simulations (DES) et Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). Les expériences de Sumer et al. (1997) pour les vagues et celles de Roulund et al. (2005) pour les courants seront reproduites numériquement et serviront de cas de validation. Il conviendra de porter une attention particulière à la bonne représentation du Horse-Shoe Vortex (HSV), qui est le principal moteur de l’affouillement. L’influence des effets de surface libre dans la simulation numérique sera également étudiée. Pour cela, des simulations en surface fixe (rigid-lid) et en résolution de surface libre seront menées respectivement avec pimpleFoam et interFoam/interIsoFoam. Si les effets de surface libre s’avèrent impactants, une méthodologie de simulation sera développée pour permettre les simulations d’affouillement avec l’approche rigid-lid à l’étape 3.

Etape 3 : Simulation numérique biphasique de l’affouillement sous sedFOAM

La·le doctorant·e mettra en place des simulations d’écoulement biphasique pour la représentation de l’affouillement autour d’une monopile soumise simultanément à un courant unidirectionnel et aux vagues. Pour commencer, les données expérimentales de de Sumer et Fredsoe (2001), et Qi et Gao (2014) seront utilisées pour validation. La géométrie et les conditions d’écoulement définies à l’étape 1 selon les configurations expérimentales prévues par les autres partenaires du projet MODULLES seront ensuite testées. En raison du planning des expérimentations, il est probable que les simulations numériques soient menées a priori, en amont de la réalisation expérimentale. Ce sera un exercice intéressant permettant d’évaluer les capacités prédictives de l’approche biphasique pour la simulation de l’affouillement. En utilisant les résultats des simulations d’affouillement, dans la suite des travaux de Nagel et al. (2020), les flux de sédiments à l’échelle locale seront caractérisés, de façon à développer une nouvelle paramétrisation de transport de sédiment à destination des modèles morphodynamiques monophasiques de plus grande échelle, en incluant les effets de cisaillement au sol, d’énergie cinétique turbulente et de pente du sol. En fin de projet, la·le doctorant·e développera des simulations de démonstration pour l’affouillement autour d’un J-tube, conduit courbé de guidage et protection du câble électrique. Le J-tube étant partiellement ensouillé dans le sédiment, les mécanismes de rétroaction de la pression interstitielle et de liquéfaction des sols peuvent être importants.  Les premières simulations réalisées avec une approche en écoulement diphasique suggèrent que le modèle prédit avec précision le début de l’affouillement sous un cylindre horizontal (Mathieu, 2017; Tsai et al., review en cours).

L’objectif final de la thèse est de déduire une paramétrisation du flux de sédiment pour les modèles conventionnels en écoulement monophasique, en utilisant les résultats des simulations en écoulement biphasique. Les développements réalisés dans le solveur sedFOAM au cours de la thèse seront mis à disposition en open-source via un dépôt github.

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