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Thèse Année : 2012

Experimental and Numerical Investigations of Flow and Solid Transport in Urban Area

Jiong Zhang
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 931848

Résumé

In modern society, land development can increase the amount of stormwater runoff and its associated pollutant loads to receiving waters (Barrett et al., 1998). Several authors have studied stormwater runoff carries off dissolved, colloidal and solids components from the urban surfaces (e.g. Chang and Crowley, 1993 and Ball et al., 2000). A porous medium is a material containing large number of randomly located voids (pores) of sizes greater than the microscopic interatomic scale such as soil, rocks, sponge, etc. Transport phenomena at the interface between a fluid and porous medium has remained an important topic of research because of their fundamental interest in understanding the phenomena of infiltration into the porous medium and its wide field of applications in industry and environmental analyses, for example, urban hydrology, river hydraulics, pollution and remediation of soils, water treatment, etc. As in urban hydrology field, the erosion and clogging phenomena of road cause a lot of economic losses and even threaten the people's lives, because these are the results of an effect of sediment transport caused by flow after rains, a better understanding of details of flow structures near the surface of road (a kind of porous medium) will help to improve the design of road and provide optimized solutions. Flows over a porous medium are the flows combined both over and through the porous medium. Because of the interaction between surface flow and seepage flow inside porous region, this interaction affects both the flow discharge and the sediment discharge. In recent years, due to the development of the computational capacity, a complex computational fluid dynamics (CFD) could be performed. Meanwhile the discrete element method (DEM), developed by Cundall and Strack (1979), has been used extensively to investigate the behavior of granular solids subjected to a variety of loading conditions with the goal of understanding and predicting quantitative results.
Dans la société moderne, l'aménagement du territoire peut augmenter la quantité d'eaux de ruissellement et sa charge de polluants associé. Plusieurs auteurs ont étudié des eaux de ruissellement transportant de la pollution dissoute, colloïdale et des composants solides de la ville. Un milieu poreux, tels que le sol, les roches, éponges, etc , est un matériau contenant un grand nombre de vides (pores) situées au hasard, de taille supérieure à l'échelle interatomiques. Les phénomènes de transport à l'interface entre un écoulement fluide et un milieu poreux font l'objet de recherches importantes à la fois pour comprendre les phénomènes d'infiltration dans le milieu poreux et aussi en raison de leur large champ d'application, par exemple en hydrologie urbaine, la pollution et dépollution des sols, le traitement de l'eau, etc. Comme dans l'hydrologie naturelle, l'hydrologie urbaine étudie l'érosion et les phénomènes de colmatage de la route qui causent beaucoup de pertes économiques et même menacent la vie des gens. Une meilleure compréhension des détails du flux de sédiments près de la surface de la route (milieu poreux) aidera à améliorer la conception des routes et à fournir des solutions optimisées. L'écoulement sur un milieu poreux combine une partie dessus et une partie à travers le milieu poreux. En raison de l'interaction entre l'écoulement de surface et d'infiltration à l'intérieur de la région poreuse, cette interaction affecte à la fois la le flux liquide et le flux de sédiments. L'effet de l'interaction entre le flux d'infiltration et l'écoulement de surface a été étudiée par plusieurs précurseurs qui ont développé soit un modèle microscopique soit un modèle macroscopique permettant une simulation numérique de l'écoulement turbulent dans la région poreuse. La plupart des études sur les flux en milieu poreux utilise des modèles macroscopiques en une ou deux dimensions (2D) lit poreux. Cependant en utilisant ces modèles il n'est pas possible d'avoir un aperçu détaillé de la structure de l'écoulement au voisinage de l'interface avec le milieu poreux. Ces dernières années, en raison du développement de la capacité de calcul, des simulation de mécanique des fluides numérique (CFD) complexe peuvent être effectuée. De plus, la méthode des éléments discrets (DEM), développé par Cundall et Strack, a été beaucoup utilisée pour étudier le comportement des solides granulaires soumis à une variété de conditions de chargement dans le but de comprendre et de prédire les résultats macroscopiques. Dans cette étude, les caractéristiques d'un écoulement à surface libre de faible profondeur, sur un lit poreux ainsi que le transport des sédiments induit sont étudiés tant numériquement que expérimentalement.
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Dates et versions

tel-00764519 , version 1 (13-12-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00764519 , version 1

Citer

Jiong Zhang. Experimental and Numerical Investigations of Flow and Solid Transport in Urban Area. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. INSA de Rennes, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00764519⟩
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