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
Table des matières hybride Dunamic 2D CCHE 2D FLOW3D Comparaison des résultats s 2 / 18
Aménagement hydroélectrique de Lavey (Suisse) Suisse Prise d eau (250 m 3 /s) Propriétaire Ville de Lausanne Barrage Rhône Chute 40m Puissance 31 000 kw Production annuelle 400 GWh Mise en service 1949 3 / 18
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
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
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 20 100 200 [m] Modèle 0.5 2.5 5.0 [m] 6 / 18
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
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
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
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
CCHE 2D: Simulation du transport solide 11 / 18
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)
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
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
Comparaison des résultats Ecoulement superficiel d approche (Q turbiné = 250 m 3 /s, Etat 1949) Modèle physique (LSPIV) Flow 3D 600 pix 580 560 540 520 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Statistics vector map: Vector Statistics, 39 18 vectors (702) Size: 1280 608 (0,1) 0.0 0.3 0.6 [m/s] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 pix 1250 [m/s] 15 / 18
Comparaison des résultats Bathymétrie avant purge [m s.m.] (Q = 1270 m 3 /s, Etat 2005) CCHE 2D Modèle physique Prototype 16 / 18
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
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 martin.bieri@epfl.ch, michael.mueller@epfl.ch, juliano.ribeiro@epfl.ch, jean-louis.boillat@epfl.ch 18 / 18