Les fichiers de paramètres

 

Les logiciels Telemac 2D et Sisyphe ont besoin chacun d'un fichier regroupant les différents paramètres nécessaires au bon déroulement des calculs que nous appellerons par la suite respectivement "CAS" et "CASSIS". Dans cette page nous allons vous présenter la fonction des lignes les plus importantes de ces deux fichiers.

 

 

  • Le couplage des calculs hydrodynamiques et sédimentaires

Pour calculer le transport de sédiments dans le domaine de calcul défini sous Matisse il est d'abord nécessaire de calculer le régime hydrodynamique permanent avec Telemac 2D. Nous avons utilisé un fichier CAS spécifique appelé CAS_INIT pour obtenir tous nos régimes permanents. Une fois ce régime atteint, nous relançons la simulation en faisant une suite de calcul et en faisant intervenir Telemac 2D et Sisyphe, cette fois à partir des fichiers CAS et CASSIS. L'idée est de calculer le transport des grains régulièrement et au bout d'un certain temps de recalculer l'écoulement fluide sur la bathymétrie modifiée. D'après les calculs effectués dans la partie Étude Théorique Préliminaire, nous savons que le temps caractéristique du transport solide est 10 000 fois plus faible que le transport fluide. En théorie, cela signifierait qu'il ne serait nécessaire de calculer le transport de sédiments qu'une fois tous les 10 000 pas de temps du calcul hydrodynamique. Afin d'automatiser ces différentes étapes du calcul, nous avons choisi de réaliser un couplage interne entre Sisyphe et Telemac 2D. Ce couplage calcule, pour chaque pas de temps, l'écoulement fluide puis le transport de sédiments généré. Enfin, par soucis de précision, nous avons imposé que la nouvelle bathymétrie sur laquelle il faut recalculer l'écoulement soit créée toutes les 1000 secondes plutôt que toutes les 10000 secondes.

FICHIER DES PARAMETRES DE SISYPHE               : './cassis.txt'
COUPLAGE AVEC                                   : 'INTER-SISYPHE'
PERIODE DE COUPLAGE                             : 1000

 

 

  • Le fichier CAS

Destiné à Telemac 2D, le fichier CAS permet de définir les options numériques utilisées par le logiciel pour le calcul hydrodynamique. C'est également lui qui gouverne les calculs du transport sédimentaire à travers le couplage interne et qui se charge d'exécuter les éventuels fichiers Fortran nécessaires aux simulations. Nous avons créé nos fichiers CAS en format .txt sous Windows. Un exemple est disponible ici.

 

Définition des zones non-érodables

Le calcul Sisyphe s'appliquant à tout notre domaine, cela signifie que n'importe quel point de la bathymétrie est érodable. Or, le duit étant un muret et non constitué de sable, il est très important de définir une zone de non-érosion à son niveau si l'on ne veut pas avoir des surprises désagréables après une simulation de quelques jours. Le moyen pour y arriver est de réutiliser le fichier Fortran noerod.f disponible dans la bibliothèque de Telemac. Ce fichier Fortran doit être modifié pour que la zone de non-érosion corresponde à notre configuration. L'astuce a été de créer une nouvelle enveloppe autour de l'enveloppe du duit et d'utiliser la fonction Fortran  "inpoly" pour imposer que tous les points se trouvant à l'intérieur du polygone définit par la nouvelle enveloppe soient non-érodables. Nous fixons également le fond non-érodable du reste du domaine 2 m plus bas que le fond de la bathymétrie au temps initial. Nous avons fait ce choix à partie de l'étude d'impact (page 10) disponible en annexe. Ce fichier Fortran est disponible ici en format .txt. Si vous réutilisez ce fichier, n'oubliez pas de modifier l'extention de ce fichier noerod.txt en noerod.f. Une fois le fichier noerod.f prêt, il faut bien sûr indiquer dans le fichier CAS que Telemac 2D doit lire le fichier Fortran.

FICHIER FORTRAN                    : './noerod.f'

 

Parallélisation des calculs et simulations sous Linux :

Après plusieurs semaines, nous avons enfin pu faire tourner nos calculs sur les ordinateurs de la salle Linux du Département de Mécanique des Fluides de l'Enseeiht. Afin de diminuer les temps de simulations, nous avons parallélisé les calculs de Telemac 2D pour tirer pleinement profit des processeurs à double coeurs à notre disposition. Cette option se définit dans le fichier CAS de la manière suivante:

PROCESSEURS PARALLELES             : 2

Il faut également que Telemac 2D lise un fichier Fortran appelé homere_telemac2d.f pour que le couplage interne Telemac 2D - Sisyphe se fasse sous Linux. Ce fichier est accessible également dans la bibliothèque de Telemac. Pour plus de pratique, vous pouvez accéder à ce fichier en format .txt ici. Sachez que Telemac 2D n'est capable de lire qu'un seul fichier Fortran, donc si vous rajoutez ce fichier Fortran à celui des zones de non-érosion, faites bien attention à mettre les deux programmes dans un seul fichier Fortran, sinon Telemac 2D refusera de lancer les calculs.

Calcul :

Pour permettre au calcul de converger, nous avons défini un pas de temps de 0,5 seconde.

PAS DE TEMPS                                    : 0.5
DUREE DU CALCUL                                 : 1200000
PERIODE POUR LES SORTIES GRAPHIQUES             : 20000
PERIODE DE SORTIE LISTING                       : 1000

 

Conditions aux limites et courbe de tarage :

Un paramètre important à imposer est la loi de frottement sur le fond. Nous avons choisi d'utiliser la formulation de Strickler car c'est la loi la plus répandue et il était plus aisé d'obtenir des informations. La valeur du coefficient de Strickler nous a été donnée par le binôme Végétalisation des Berges et vaut environ 30, ce qui correspond à une large rivière de plaine, à la végétation peu dense.

LOI DE FROTTEMENT SUR LE FOND                   :  3    
COEFFICIENT DE FROTTEMENT                       :  30.
COTES IMPOSEES                                  :  0.;95    
DEBITS IMPOSES                                  :  1400.;0.

D'après les conditions aux limites que nous avons définies sous Matisse, il faut définir les vitesses du fluide et la hauteur d'eau aux frontières fluides du domaine, c'est-à-dire en entrée et en sortie. La hauteur d'eau en entrée et le débit en sortie ont été laissés libres: c'est ce que traduit la valeur 0. Nous avons choisi de réaliser nos simulations avec le débit correspondant au pic de la crue morphogène (qui a le pouvoir de modifier la morphologie du lit du cours d'eau). Ce débit correspond souvent dans la littérature à la crue triennale (qui a une chance sur trois de se produire dans l'année). D'après l'étude statistique de la partie Étude de Crues, ce débit vaut 1400 m3.s-1. En outre, il s'agit du débit de plein bord, comme nous pouvons le constater sur la figure ci-dessous.

Débit de plein bord, en sortie du domaine (cliquez sur l'image pour l'agrandir)

La condition de hauteur d'eau fixée en sortie a été obtenue par une courbe de tarage. Une courbe de tarage permet de relier la cote de la surface libre au débit de la rivière à un endroit donné. Celle à notre disposition a été réalisée par le binôme Étude de Crues avec des données mesurées au niveau du pont George V situé environ 1500 m à l'aval de la sortie de notre domaine d'étude.

Courbe de tarage,au niveau du pont George V (cliquez sur l'image pour l'agrandir)

Les mesures n'ayant pas été faites au niveau de la sortie de notre domaine d'étude, il ne faut pas oublier de prendre en compte la différence de cote de la surface libre entre les deux endroits. Pour cela nous avons sondé la cote du fond au niveau de la zone de mesure et regardé l'écart avec celle en sortie de domaine. Nous avons constaté une différence de l'ordre de 2,5 m et en considérant que la pente de la surface libre était la même que celle du fond, nous avons choisi une cote de sortie valant 94,5 m. En vérifiant l'allure de la surface libre sur un régime permanent, nous avons constaté que cette cote était légèrement trop faible car le fluide accélérait en sortie et la pente de la surface libre subissait une rapide variation en limite de domaine. Nous avons rehaussé la cote en sortie à 95 m et tout rentra dans l'ordre.

 

Options numériques :

Notre domaine de calcul contient des berges élevées et des bancs de sable, il faut donc prévenir Telemac 2D que certains points du maillage seront hors de l'eau si l'on ne veut pas faire échouer la simulation.

BANCS DECOUVRANTS                               : OUI
OPTION DE TRAITEMENT DES BANCS DECOUVRANTS      : 1

Le coefficient de diffusion des vitesses a été fixé à 10-2 m2.s-1 pour être en accord avec les calculs théoriques préliminaires.

MODELE DE TURBULENCE                            : 1
COEFFICIENT DE DIFFUSION DES VITESSES           : 1.E-2

Dans Telemac 2D, lorsque l'on impose un débit en entrée, on s'attend à avoir le même débit en sortie de domaine pour que la continuité soit assurée, mais cela n'est pas toujours le cas. Il faut penser à écrire les mots-clés appropriés sinon Telemac calculera une perte de débit plus ou moins importante entre l'entrée et la sortie.

CORRECTION DE CONTINUITE                        : OUI

Les autres lignes regroupées dans cette section et les valeurs numériques indiquées ont été tirées d'autres fichiers CAS fournis en exemples par Telemac et d'ajouts effectués par Mme Maubourguet, enseignant-chercheur spécialiste de Telemac à l'IMFT.

 

 

  • Le fichier CASSIS

Dans le fichier CASSIS sont définies les propriétés physiques des grains, le choix de la formulation du transport sédimentaire que l'on souhaite utiliser lors de la simulation, etc. Notre fichier CASSIS est accessible ici.

 

Étude granulométrique de la Loire :

Les deux grandeurs indispensables à fournir à Sisyphe sont la masse volumique et le diamètre des grains. Nous avons accédé à ces données en consultant le rapport du LRPC de Blois, intitulé "Remobilisation des sédiments en Loire" réalisé en 2010. Dans ce document, des études granulométriques ont été réalisées à différents endroits de la Loire, dont deux sites situés à l'entrée de notre domaine: les sites Combleux 2 et Combleux 3.

Sites de relevés granulométriques, situés juste à l'amont du duit

Ce rapport indiquait que les sédiments étaient constitués de grains de sable grossier. Le sable étant majoritairement de la silice, sa masse volumique vaut 2650 kg.m-3. L'étude aboutit sur les courbes granulométriques suivantes:

Courbe granulométrique des sédiments, à Combleux 2: diamètre $d_{50}$ en rouge et $d_{95}$ en bleu (cliquez sur l'image pour l'agrandir)


Courbe granulométrique des sédiments, à Combleux 3: diamètre $d_{50}$ en rouge et $d_{95}$ en bleu (cliquez sur l'image pour l'agrandir)

En observant ces deux graphiques, nous constatons que le diamètre médian $d_{50}$, qui correspond au diamètre tel que 50% des grains ont un diamètre inférieur ou égal à $d_{50}$, vaut environ 2 mm à Combleux 2 et environ 3,7 mm à Combleux 3. Nous avons donc choisi un diamètre intermédiaire $d_{50}$ égal à 2,5 mm. Cette taille de grains de sable peut sembler importante au premier abord, mais si l'on observe la photo ci-dessous réalisée lors de la visite du site à Orléans nous constatons que la taille des sédiments est vraiment de cet ordre de grandeur.

Aperçu de la taille des sédiments du bord de la Loire, à Orléans

Nous rentrons ces données dans le fichier CASSIS de la manière suivante:

MASSE VOLUMIQUE DU SEDIMENT                     = 2650  
DIAMETRE MOYEN DES GRAINS                       = 0.0025

 

Transport solide :

Grâce aux calculs théoriques préliminaires, il a été démontré que le transport solide réalisé par suspension était 100 fois plus faible que le transport par charriage. Nous pouvons ainsi négliger la suspension (une modélisation avec et sans suspension nous a permis de vérifier que les résultats étaient similaires dans les deux cas) et ne calculer que le charriage. Pour cela nous choisissons la formule de transport solide de Meyer-Peter car d'après le Manuel de l'utilisateur de Sisyphe (p. 21), elle est adaptée au transport solide par charriage pour des grains ayant un diamètre supérieur à 1 mm.

CHARRIAGE                                       = OUI
FORMULE DE TRANSPORT SOLIDE                     = 1

 

Comme dans le fichier CAS, il faut définir la loi de frottement sur le fond et la valeur du coefficient de frottement dans CASSIS. Nous réutilisons les mêmes mots-clés et valeurs que précédemment.

Le reste des mots-clés et leurs valeurs sont tirés eux aussi d'exemples fournis par Telemac.

 

Fichier attachéTaille
cassis.txt2.96 Ko
cas.txt4.23 Ko
noerod.txt4.21 Ko
homere_telemac2d.txt6.22 Ko

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