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Bernard Brachet
Expert hydraulique, Egis
Published on August 03, 2018

Reading time : 3 min

Vers une conception numérique des ouvrages hydrauliques

De nos jours, le calcul 3D appliqué à la mécanique des fluides occupe une place grandissante dans l'ingénierie. Lumière sur cette méthode innovante.

Modélisation numérique d'un ouvrage hydraulique

- Crédits : © B. Brachet - Egis

Le recours à la modélisation est très souvent nécessaire pour concevoir des ouvrages hydrauliques et comprendre les phénomènes qui s’y produisent. Les écoulements rencontrés dans ces ouvrages étant généralement dominés par des mouvements chaotiques appelés « turbulences », l’ingénieur doit être capable de prédire leurs effets lors de la conception d’un ouvrage ou d’un système. Malheureusement, le mouvement turbulent est très complexe et présente, la plupart du temps, des caractéristiques tridimensionnelles et instables.

La simulation numérique peut être alors d’un grand secours à l’ingénieur, le calcul analytique demeurant ici très peu efficace. Un des principaux avantages du calcul numérique est la possibilité de faire varier virtuellement les paramètres géométriques, dynamiques et physiques du problème traité, en évitant la répétition d’expériences longues et lourdes à gérer.

Cette méthode, connue sous le nom de CFD (computational fluid dynamics, voir encadré), offre une connaissance plus fine des phénomènes hydrauliques complexes et permet d’optimiser, en conséquence, la conception de l’ouvrage. Plus rapide à mettre en œuvre qu’une approche par maquette physique, elle est aussi moins coûteuse et permet de réduire significativement les coûts de réalisation des ouvrages. Pour toutes ces raisons, Egis a fait de cette méthodologie l’un de ses standards de production.

Un cas d’école : la refonte de l’usine de Clichy du SIAAP

Le SIAAP (Syndicat interdépartemental d'assainissement de l'agglomération parisienne), qui a engagé en 2012 l’opération de refonte de son usine de Clichy (une importante unité de prétraitement et de gestion des eaux usées et unitaires), nous a confié une grande partie des études hydrauliques du projet, en phase conception. Une mission complexe, au regard du fonctionnement des ouvrages à aménager, de leur taille imposante et des débits en jeu, qui sont considérables.

Le projet comprend la refonte complète des ouvrages d’entrée et de répartition vers les différentes parties de l’usine, la construction d’une unité de prétraitement neuve, ainsi que la réalisation d’un bassin d’orage d’une capacité de stockage de 70 000 m3 et de ses ouvrages d’alimentation (puits de chute, galerie, etc.). Autant de systèmes qui se caractérisent par des géométries et une physique simulée d’une grande complexité.

Si l’approche par la modélisation ne saurait être considérée comme l’unique voie à emprunter, elle est, dans ce cas précis, une solution avantageuse et complémentaire aux méthodes conventionnelles de type calcul analytique et maquette physique. Elle a d’ailleurs démontré sa fiabilité à plusieurs reprises, notamment pour mettre en évidence de manière très caractérisée les fonctionnements hydraulique et aéraulique du puits de chute, un ouvrage fortement sollicité. Ces fonctionnements ont, par la suite, été pleinement confortés par la vérification sur maquette physique.

La méthode CFD en 3 étapes

Cette méthode de simulation consiste à étudier, dans une géométrie donnée, les mouvements d'un fluide ou leurs effets, par la résolution numérique des équations régissant le fluide. Cette résolution passe par trois étapes :

  1. Mise en données du problème : définition d'une géométrie, d'un maillage discrétisant le domaine de calcul, choix des modèles et des méthodes numériques employés.
  2. Résolution numérique du problème : intégration des données dans un logiciel de traitement appelé "solveur", dont la fonction première est de résoudre les équations régissant la physique des fluides.
  3. Exploitation des résultats : analyse de la cohérence, extraction et représentation sous forme graphique des données physiques caractérisant le fonctionnement de l'ouvrage.

L'exploitation des résultats passe le plus souvent par des logiciels de CFD. Egis utilise, en particulier, la suite complète ANSYS 17 (solveur CFX).

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