Introduction et couplage

Terminologie¶

Une simulation hydromorphodynamique implique la modélisation de processus axés sur le ruissellement Sediment transport. Les sections précédentes de ce livre électronique se concentrent sur l’hydrodynamique définie comme l’étude des liquides en mouvement et cette section se concentre sur morphodynamique définie comme l’étude des changements liés au temps dans les formes des lits alluviaux et leurs processus sous-jacents.

Modes de transport des sédiments¶

TELEMAC has a dedicated module called Gaia for modeling morphodynamics. Gaia enables modeling sediment transport and morphological evolution (i.e., Topographic change) in rivers, lakes, and estuaries. It comes with particular routines to consider a spatio-temporal variation of grain sizes, grading curves, and riverbed layering for simulating sediment transport in the form of Bedload (coarse sediment) and/or Suspended load (fine sediment). Bedload is calculated by solving semi-empiric equations, such as the Meyer-Peter & Müller (1948) formula (read more later in this tutorial). Suspended load is modeled by solving the Advection-Diffusion equations (typically, the RANS form), which require closures for sediment erosion and deposition fluxes. Figure 1 qualitatively illustrates the two basic modes of sediment transport in the form of suspended load and bedload. Whether a particle is transported in suspension or as bedload can also be determined by calculating of the Rouse number.

On distingue davantage les sédiments très fins, cohésifs et les sédiments plus grossiers, non cohésifs. En outre, Gaia explique l’évolution du lit à travers une solution itérative du Exner equation Exner, 1925 pour la conservation de masse.

Le recrutement de sédiments pour le transport de charge en suspension et de charge en lit nécessite un examen détaillé du lit de la rivière, qui sera fourni plus tard dans la section sur la définition de the riverbed composition and the active layer.

Couplage TELEMAC et Gaia¶

Le module morphodynamique Gaia peut être interne couplé avec les modèles hydrodynamiques Telemac2d (solution du Shallow water equations) ou Telemac3d (solution du Reynolds-moyenne Navier-Stokes (RANS) equations). Cette section explique les types de couplage Telemac2d/Telemac3d (hydrodynamique) avec Gaia (morphodynamique).

De Sisyphe à Gaïa¶

Sisyphe est le module traditionnel de transport des sédiments de TELEMAC, qui a été largement remplacé par le module Gaia plus unifié. Gaia est basé sur le module historique SISYPHE, avec un grand nombre d’améliorations, de corrections et d’optimisations mises en œuvre. Le cadre unifié de Gaia gère efficacement différentes classes de sédiments, des mélanges sable-mud et des dimensions spatiales 2D et 3D. Pour obtenir des spécifications au-delà des caractéristiques présentées ici dans la documentation TELEMAC et le forum TELEMAC, il est utile de connaître le patrimoine SISYPHE. Les routines de SISYPHE sont toujours disponibles dans les versions récentes de TELEMAC via Gaia, mais certains mots-clés nécessitent des ajustements. En savoir plus dans le Manuel de Gaia à l’annexe 8.1 et dans le gaia.dico (telemac/v9.0.0/sources/gaia/gaia.dico).

Couplage Hydrodynamique (Telemac2d/3d) et Morphodynamique (Gaia)¶

Un modèle numérique hydro-morphodynamique peut être soit entièrement couplé** ou ** découplé**.

Modèle entièrement couplé

Un modèle entièrement couplé résout l’hydrodynamique Navier-Stokes equations en même temps que les équations de transport des sédiments (c.-à-d. l’érosion et les flux de dépôt depuis et vers le lit de la rivière à travers le Exner equation). L’élévation du lit (c.-à-d. Topographic change) est calculée pour chaque pas de temps, ce qui conduit à ** longtemps de calcul**. En plus du couplage de l’hydrodynamique gravitationnelle (c.-à-d. flux en vrac le long des pentes de la vallée), Sediment transport, et Topographic change, un modèle peut également être couplé avec l’hydrodynamique des vagues (surface).

• Gamme de demande :* Des processus morphodynamiques rapides, tels que des débits de sédiments hyperconcentrés ou des débits de débris.

Modèle découplé

Un modèle découplé alterne entre l’hydrodynamique et la morphodynamique (c’est-à-dire le Exner equation). Le lit de la rivière est considéré comme fixe lorsque les variables hydrodynamiques sont calculées, puis les changements d’altitude du lit sont calculés séparément en fonction du champ de débit calculé. Cette approche synchrone est plus efficace que le couplage complet.

• Gamme de demande :* La plupart des modèles fluviaux, en particulier les modèles lacustres ou océaniques où les échelles de temps morphodynamiques sont beaucoup plus longues que les échelles de temps hydrodynamiques.

Gaia suit l’approche découplée. L’étape temporelle utilisée pour le calcul morphodynamique est la même que pour l’hydrodynamique (précisée dans le fichier de direction Telemac2d ou Telemac3d). À chaque étape, l’hydrodynamique est résolue d’abord avec le lit gelé, puis les équations de transport des sédiments et l’évolution du lit (équation Exner) sont résolues sur la base du champ d’écoulement calculé.

Exigences du dossier pour le couplage Gaia¶

En plus des fichiers standard de direction Telemac2d, de limites et de mailles géométriques, le couplage hydrodynamique avec Gaia nécessite un nouveau fichier de direction (*.cas) qui doit être référencé dans le fichier de direction principal de la simulation. À cette fin, créer un nouveau dossier pour le tutoriel de Gaia (par exemple, appelé /gaia2d-tutorial/), copier le dry-initialized steady2d simulation and results files (ou cloner le gaia2d-tutorial depository), et créer un nouveau fichier de direction de Gaia (par exemple, appelé gaia-morphodynamics.cas). Ainsi, les fichiers suivants devraient vivre dans le dossier de modélisation pour ce tutoriel:

• Le maillage informatique sous la forme de qgismesh.slf.

• Les définitions des limites sous la forme de boundarys.cli.

• Les résultats de l’exécution du modèle 2d stabilisé à l’initialisation sèche pour 35 m$^3$/s sous la forme de r2dsteady.slf (dry steady run fining at T=15000).

• Un fichier de direction Telemac2d pour ce tutoriel, construit sur le fichier de direction stable2d initialisé à sec et appelé steady2d-gaia.cas.

• Le nouveau gaia-morphodynamique.cas dossier de pilotage.

Couple Gaia dans le fichier de pilotage hydrodynamique¶

Pour implémenter programmatiquement le couplage de Gaia avec une simulation Telemac2d/Telemac3d, quelques nouveaux mots clés doivent être définis en plus des mots clés expliqués dans le steady2d chapter. Le premier mot-clé supplémentaire est la référence pour tout couplage avec le fichier de direction Telemac2d ou Telemac3d:

/ steady2d-gaia.cas
COUPLING WITH : 'GAIA'

En outre, le mot-clé GAIA STEERING FILE lie le fichier de pilotage de l’hydrodynamique gaia-morphodynamics.cas dans Telemac2d (ou Telemac3d) :

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
GAIA STEERING FILE : gaia-morphodynamics.cas

Démarrer¶

Ce tutoriel s’appuie sur les résultats du dry-initialized steady2d model parce que les simulations Gaia nécessitent généralement un champ de flux bien développé comme condition initiale (voir le above definitions). L’utilisation d’un ancien résultat de simulation pour l’initialisation du modèle s’appelle hotstart, ce qui nécessite un fichier de résultats d’une simulation précédente. À cette fin, assurez-vous que le fichier de résultats stable2d initialisé à sec se trouve dans le dossier de simulation (télécharger r2dsteady.slf). Ensuite ** définir le démarrage à chaud dans le fichier de direction Telemac2d** avec les mots-clés suivants:

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
PREVIOUS COMPUTATION FILE : r2dsteady.slf / results of 35 CMS steady simulation
INITIAL TIME SET TO ZERO : YES / avoid restarting at 15000

Le mot clé INITIAL TEMPS SET TO ZERO réinitialise le temps de simulation à 0. Ensuite, assurez-vous que tous les mots-clés ** CONDITIONS INITIALES** sont commentés avec un / (à défaut de supprimer ces lignes de stabilisate2d-gaia.cas):

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
/ INITIAL CONDITIONS - not required (hotstart)
/ ------------------------------------------------------------------
/ INITIAL CONDITIONS : 'ZERO DEPTH' / use ZERO DEPTH to start with dry model conditions
/ INITIAL DEPTH : 0.005 / use INTEGER for speeding up calculations

Le fichier de direction initialisé à sec prescrit les débits et les élévations, ce qui exige ** des modifications dans stability2d-gaia.cas** à ** prescrit Q seulement**. La raison de la prescription Q seulement est qu’avec Gaia, nous voulons modéliser les changements dans les profondeurs d’eau et l’élévation du lit de rivière, ce qui signifie que l’élévation de la surface de l’eau ne doit pas être limitée (c.-à-d. non prescrite) comme condition limite. Ainsi, la configuration des conditions limites pour Gaia nécessite également de légères modifications des fichiers limites (*.cli) qui seront expliqués dans la section suivante sur le Basic Setup of Gaia. À cette fin, assurez-vous que dans le fichier de pilotage hydrodynamique seulement le mot-clé de prescription de débit est activé et que la prescription d’élévation est désactivée (commenter avec /):

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
/ Liquid boundaries
PRESCRIBED FLOWRATES  : 35.;35.
/ PRESCRIBED ELEVATIONS : 374.805626;371.33

Sections de contrôle¶

Les sections de contrôle sont des séquences de nombres de nœuds (ou de coordonnées de nœuds) où TELEMAC résume les flux, par exemple, pour vérifier les bilans massiques des entrées et des sorties. La section de simulation non stable fournit des instructions détaillées pour defining control sections et ce tutoriel réutilise le fichier des sections de contrôle à partir de la simulation non stable (télécharger control-sections.txt).

# control sections steady2d
2 -1
Inflow_boundary
144 32
Outflow_boundary
34 5

Pour utiliser les sections de commande pour la simulation de Gaia ajouter ce qui suit au fichier de direction hydrodynamique:

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
SECTIONS INPUT FILE :  control-sections.txt
SECTIONS OUTPUT FILE : r-control-flows.txt

Ainsi, le redémarrage de la simulation écrira les flux dans les deux sections de contrôle définies à un fichier appelé r-control-flows.txt.

Résumé de la direction hydrodynamique¶

Avec les adaptations ci-dessus et en utilisant une durée de simulation de 30000 timesteps (pour observer l’évolution morphodynamique) avec une période d’impression graphique de chaque 5000 timesteps (pour réduire la taille du fichier de sortie), le fichier de direction hydrodynamique final devrait ressembler à ceci:

/ steady2d-gaia.cas
/
TITLE : 'gaia2d steady'
/
/ HOTSTART - continuation is automatic when PREVIOUS COMPUTATION FILE is specified (v9.0+)
PREVIOUS COMPUTATION FILE : r2dsteady.slf / here - 35 CMS initialization after t 15000
INITIAL TIME SET TO ZERO : YES / avoid restarting at 15000
/
COUPLING WITH : 'GAIA'
GAIA STEERING FILE : gaia-morphodynamics.cas
/
/ DEFAULTS FROM STEADY2D
/
/------------------------------------------------------------------/
/     COMPUTATION ENVIRONMENT
/------------------------------------------------------------------/
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE            : qgismesh.slf
RESULTS FILE           : r2dsteady-gaia.slf
/
MASS-BALANCE : YES / activates mass balance printouts - does not enforce mass balance
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : U,V,H,S,Q,F / Q enables boundary flux equilibrium controls
/
/ CONTROL SECTIONS
SECTIONS INPUT FILE :  control-sections.txt
SECTIONS OUTPUT FILE : r-control-flows.txt
/
/------------------------------------------------------------------/
/     GENERAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
TIME STEP : 1.
NUMBER OF TIME STEPS : 30000
GRAPHIC PRINTOUT PERIOD : 5000
LISTING PRINTOUT PERIOD : 5000
/
/------------------------------------------------------------------/
/     NUMERICAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
/ General solver parameters from section 7.1
DISCRETIZATIONS IN SPACE : 11;11
FREE SURFACE GRADIENT COMPATIBILITY : 0.1  / default 1.
ADVECTION : YES
/
/ FINITE ELEMENT SCHEME PARAMETERS - section 7.2.1 in the manual
/------------------------------------------------------------------
TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM : 2 / default is 2 - use 1 to avoid smoothened results
SCHEME FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 14 / alternatively keep 1
SCHEME FOR ADVECTION OF TRACERS : 5
SCHEME FOR ADVECTION OF K-EPSILON : 14
IMPLICITATION FOR DEPTH : 0.55 / should be between 0.55 and 0.6
IMPLICITATION FOR VELOCITY : 0.55 / should be between 0.55 and 0.6
IMPLICITATION FOR DIFFUSION OF VELOCITY : 1. / v9p0 default
IMPLICITATION COEFFICIENT OF TRACERS : 0.6 / v9p0 default
MASS-LUMPING ON H : 1.
MASS-LUMPING ON VELOCITY : 1.
MASS-LUMPING ON TRACERS : 1.
/ MASS-LUMPING FOR WEAK CHARACTERISTICS : 1. / enabling leads to weak characteristics
SUPG OPTION : 0;0;2;2  / classic supg for U and V
/
/ SOLVER
/------------------------------------------------------------------
INFORMATION ABOUT SOLVER : YES
SOLVER : 1
/
/ TIDAL FLATS  - see section 7.5
TIDAL FLATS : YES
CONTINUITY CORRECTION : YES / default is NO
OPTION FOR THE TREATMENT OF TIDAL FLATS : 1
TREATMENT OF NEGATIVE DEPTHS : 2 / value 2 or 3 is required with tidal flats - default is 1
/
/ MATRIX HANDLING - see section 7.6
MATRIX STORAGE : 3 / default is 3
/
/ BOUNDARY CONDITIONS
/------------------------------------------------------------------
/
LAW OF BOTTOM FRICTION : 4 / 4-Manning
FRICTION COEFFICIENT : 0.03 / Roughness coefficient
/
/ Liquid boundaries
PRESCRIBED FLOWRATES  : 35.;35.
/ PRESCRIBED ELEVATIONS : 374.805626;0.
/
/ Type of velocity profile can be 1-constant normal profile (default) and (cli) 4-vector is proportional to root (water depth, only for Q)
VELOCITY PROFILES : 4;1
/
/ INITIAL CONDITIONS - not required (hotstart)
/ ------------------------------------------------------------------
/ INITIAL CONDITIONS : 'ZERO DEPTH' / use ZERO DEPTH to start with dry model conditions
/ INITIAL DEPTH : 0.005 / use INTEGER for speeding up calculations
/
/ STABILITY CONTROLS
/ ------------------------------------------------------------------
PRINTING CUMULATED FLOWRATES : YES
/
/------------------------------------------------------------------/
/     TURBULENCE
/------------------------------------------------------------------/
/
DIFFUSION OF VELOCITY : YES / default is YES
TURBULENCE MODEL : 3
/
&ETA