Depuis une vingtaine d’années, le système de modélisation intégrée WOLF est entièrement développée par le groupe de recherches HECE. Il intègre les résultats de plus d’une douzaine de thèses de doctorat. Le modèle est capable de couvrir l’ensemble de la gamme d’écoulements rencontrés dans les domaines du Génie Civil et de l’Ingénierie Environnementale. Il permet également d’appréhender les phénomènes de transports associés. Il peut être appliqué indistinctement à des fins de recherches ou d’application en vraie grandeur. Avec son module hydrologique physiquement basé ainsi que les modules 1D, 2D-horizontal, 2D-vertical et 3D, WOLF est un outil unique pour réaliser une conversion pluie-débit, mener une analyse de risque d’inondation, déterminer les sollicitations sur les structures hydrauliques, prévoir le transport sédimentaire et réaliser une modélisation morphodynamique mais également appréhender le transport de constituants tel que l’air ou des polluants.

Description

vignette organigramme WOLF

Organigramme général de  WOLF

  • Approche mathématique

Une formulation mathématique unifiée a été écrite afin de traiter conjointement les écoulements à surface libre ou en charge, à la fois en 1D et 2D. Les écoulements turbulents complexes sont approchés grâce à des formulations des équations de Navier-Stokes moyennées au sens de Reynolds, que ce soit dans une vision intégrée sur la hauteur ou sur la section. Un modèle de fermeture de la turbulence de type k-e est utilisé afin de prendre en compte explicitement l’anisotropie éventuelle entre les effets de cisaillement latéral et ceux liés au fond. Des équations additionnelles permettent de reproduire le mouvement de particules par charriage du fond ou en suspension dans la lame fluide, autorisant une analyse détaillée des zones d’érosion et de déposition.

Au-dessus des différents modules de calcul, WOLF dispose d’un module d’optimisation basé sur les  algorithmes génétiques afin de réaliser une calibration automatique de certains paramètres ou l’optimisation du design géométrique de certaines structures hydrauliques.

  • Approche numérique

D’un point de vue numérique, une approche de discrétisation par volumes finis a été retenue pour l’ensemble des échelles d’application, du tronçon de tuyau jusqu’au bassin versant en passant par les tronçons de rivières. Le raffinement local est autorisé grâce au recours à la technique de grille multiblocs. Un schéma numérique original de « flux vector splitting » est employé dans la majorité des codes afin d’assurer la stabilité, la précision mais également l’efficacité du calcul, même lors de la propagation de fronts raides et/ou de transport sédimentaire. Au besoin, il est fait recours à la technique « levelset » afin de pister les interfaces mobiles. De plus, afin de couvrir les larges échelles temporelles souvent liées aux phénomènes sédimentaires, un découplage partiel ou total est possible entre le sous-modèle hydrodynamique et le sous-modèle sédimentaire lors de l’évolution morphodynamique.

Implementation IT

Le cœur de calcul est programmé en langage Fortran 2008 selon le paradigme Orienté-Objet. Le modèle est également doté d’une interface graphique permettant des opérations de type SIG à la fois pour les données d’entrée que pour l’analyse des résultats. Actuellement, un effort particulier est réalisé afin de permettre le calcul en parallèle à la fois sur des machines uniques (OpenMP) que sur des clusters (MPI, CoArray) mais également d’utiliser certaines librairies graphiques majeures du monde « open source » multiplate-formes (GTK+, GNUPlot, GDAL).

Optimisation d'une pile de dérivation en rivière Détermination de l'extension d'inondation et de l'aléa pour chaque bâtiment Analyse de l'écoulement mixte à l'aval d'un barrage
Optimisation d'une pile de dérivation en rivière Détermination de l'extension d'inondation et de l'aléa pour chaque bâtiment Analyse de l'écoulement mixte à l'aval d'un barrage

 

Références

Largement reconnu tant sur le plan national qu’international, WOLF est exploité de façon régulière dans des buts de recherches et de pédagogie mais également de consultance. Il a été confronté et validé à de nombreuses reprises à des cas-tests expérimentaux ou de la littérature. Il a fait l’objet de plus de 30 publications dans des journaux internationaux et a été utilisé dans de plusieurs projets de recherches nationaux et européens. Il a entre-autre été retenu par les autorités régionales wallonnes afin de fournir les données de base permettant la cartographie de l’aléa inondation, y compris pour la Directive Cadre Inondations européenne. Il est également reconnu comme l’un des rares modèles aptes à reproduire les écoulements hautement érosifs induits par les ruptures de barrage dans les vallées naturelles par modélisation totalement couplée. Il a été utilisé comme modèle de calcul dans différentes bureaux d’ingénierie (e.g., en Suisse) ainsi que dans d’autres Universités Européennes (e.g., Politecnico di Milano).

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