Complémentarité de la modélisation physique et numérique à l exemple d un aménagement hydroélectrique

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1 SimHydro 2010, Day 2, Session 2: Complementarity of physical and mathmatical models Complémentarité de la modélisation physique et numérique à l exemple d un aménagement hydroélectrique Complementarity of physical and numerical modeling using the example of a run-of-river hydropower plant Martin Bieri, Michael Müller, Juliano Ribeiro Martins, Jean-Louis Boillat Laboratoirde de constructions hydrauliques / Laboratory of Hydraulic Constructions Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland

2 Table des matières hybride Dunamic 2D CCHE 2D FLOW3D Comparaison des résultats s 2 / 18

3 Aménagement hydroélectrique de Lavey (Suisse) Suisse Prise d eau (250 m 3 /s) Propriétaire Ville de Lausanne Barrage Rhône Chute 40m Puissance kw Production annuelle 400 GWh Mise en service / 18

4 4 / 18 Capacité hydraulique du Rhône limite au droit du barrage lors de la crue d octobre 2000 Profils en travers relevés dans le Rhône Documentation de l importance de l alluvionnement sur la réduction de la capacité hydraulique de l ouvrage Propositions d amélioration par des calculs hydrauliques et modélisations numériques Stucky SA, Hydrocosmos SA et Bonnard & Gardel SA Vérification et optimisation de la solution projetée sur un modèle physique de l aménagement Laboratoire de constructions hydrauliques (LCH-EPFL) Première phase expérimentale Essais concentrés sur l état actuel de l aménagement dans un but de calage et de validation du modèle hydraulique: exploitation, crues sédimentaire: alluvionnement, purge

5 hybride Prototype Mesures débits / niveaux Relevé bathymétrique Vérification / Recalage Prototype Réalisation Modélisation numérique Etude hydraulique Dunamic 2D Flow 3D Etude sédimentologique CCHE 2D Etude hydraulique Modèle 1:40 Etude sédimentologique Modèle 1:40 Conditions de calage Evaluation préliminaire et conditions de bords Aménagement optimisé 5 / 18

6 Modèle physique Bassin d alimentation Débitmètre Vanne Pompe Bassin Barrage Mesures UWS (profils de contrôle) Bassin de décantation avec vanne réglable Sondes à ultrasons (mesure du niveau d eau) Echelle géométrique (vérification du niveau dans la retenue) Prise d eau Débitmètre Vanne Prototype [m] Modèle [m] 6 / 18

7 Modèle physique Caractérsitiques principales Echelle géométrique 1:40 Similitude de Froude 500 m du Rhône (350 m à l amont et 150 m à l aval du barrage) Niveau aval contrôlé à l aide d un déversoir réglable Bathymétrie de 1949 Etude sédimentologique Essais de charriage avec fond mobile de référence Matériaux granulaires non cohésifs (Shields) Récupération des sédiments dans un bassin de décantation 7 / 18

8 Dunamic 2D: Analyse des champs de vitesses Développé par HydroCosmos SA Modélisation hydraulique bidimensionnelle du barrage de Lavey Analyse préalable de la capacité du Rhône au droit du barrage Etude de variantes d aménagement Analyse des vitesses d écoulement et hauteurs d eau (fluvial/torrentiel) Résolution des équations complètes de Saint-Venant par la méthode des volumes finis (Pertes de charge selon Bathurst) Modèle numérique de terrain à mailles carrées (0.333 m) Condition limite aval Modélisation HEC-RAS du Rhône aval (écoulement fluvial) Incohérence résultats du modèle/valeurs mesurées in situ Prolongation jusqu à un tronçon à écoulement torrentiel Condition de bord à l entrée du modèle Débit uniformément réparti sur la largeur du Rhône 8 / 18

9 Dunamic 2D: Analyse des champs de vitesses Simulation de crue (Q = 1270 m 3 /s, Etat 1949) Altitude du plan d eau [m s.m.] Vitesses d'écoulement [m/s] 9 / 18

10 CCHE 2D: Simulation du transport solide Développé par le National Center for Computational and Engineering de l université du Mississippi (v2.210) Simulation du transport solide dans le secteur du barrage Etude préliminaire de l'impact du réaménagement de la zone Etude de variantes d aménagement Représentation des processus d alluvionnement réalisée dans différentes configurations de fonctionnement (mode d exploitation, soutirage et purge rives droite et gauche) et sur une large gamme de débits Représentation des processus d alluvionnement dans le coude du Rhône situé 100 m à l amont de la prise d eau Résolution en deux dimensions les équations de Barré de Saint- Venant couplées à un module de calcul de transport solide (par charriage ou/et suspension) 10 / 18

11 CCHE 2D: Simulation du transport solide 11 / 18

12 FLOW3D: Simulation numérique tridimensionnelle 12 / 18 Ecoulements d approche du barrage et de la prise d eau: Etat initial sans dépôts de sédiments et situation alluvionnée Modélisation en tenant compte des forces de gravité (9.81 m/s 2 ), de viscosité (fluide Newtonien) et de turbulence (modèle "k-ε") Tailles de maillage Critères de convergence/temps de calcul Conditions de bord (exploitation) Débit entrant avec niveau amont constant (Volume flow rate) Vitesse à la sortie de la prise (Specified pressure) Débit soutiré/déversé (Volume flow rate) Conditions de bord (crues) Débit caractéristique pour niveaux d eau amont et aval (Volume flow rate) 1 m 1 m 1 m (crues) 0.5 m (exploitation)

13 Comparaison des résultats Répartition du débit entre les passes du barrage (Q = 1270 m 3 /s, Etat 1949) Dunamic 2D 32% 36% 32% Modèle physique 28% 43% 29% Flow 3D 26% 37% 37% 13 / 18

14 Comparaison des résultats Répartition des vitesses à l'entrée de la prise d eau (Q turbiné = 250 m 3 /s) Modèle physique 22.5 % 27.0 % 25.0 % 25.5 % Flow 3D 24.5 % 23.6 % 26.0 % 25.9 % 14 / 18

15 Comparaison des résultats Ecoulement superficiel d approche (Q turbiné = 250 m 3 /s, Etat 1949) Modèle physique (LSPIV) Flow 3D 600 pix Statistics vector map: Vector Statistics, vectors (702) Size: (0,1) [m/s] pix 1250 [m/s] 15 / 18

16 Comparaison des résultats Bathymétrie avant purge [m s.m.] (Q = 1270 m 3 /s, Etat 2005) CCHE 2D Modèle physique Prototype 16 / 18

17 s Etude préliminaire de l'impact du réaménagement de la zone Conditions hydrauliques Dunamic 2D Transport solide CCHE 2D Complexité des écoulements à l approche de la prise d eau Simulation numérique tridimensionnelle avec FLOW3D Complexité des phénomènes bi-phasiques et tridimensionnels Problèmes de simulation du transport sédimentaire Choix du modèle physique justifié, voire indispensable globalement similaires mais différents localement numérique Documentation des écoulements d approche à large échelle Etude préalable de variantes d aménagement Contribution à l exploitation efficace du modèle physique (Conditions de bords, ) 17 / 18

18 Merci de votre attention. Martin Bieri, Michael Müller, Juliano Ribeiro Martins, Jean-Louis Boillat Laboratory of Hydraulic Constructions (LCH), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) EPFL-ENAC-IIC-LCH, Station 18, CH-1015 Lausanne, Switzerland 18 / 18