Modélisation numérique lagrangienne sans maillage de la dynamique des glaces de rivière

 

Ahmad Shakibaeinia

Polytechnique Montréal

 

Domaine : environnement

Programme : établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2019-2020

Au printemps, la couverture de la glace de la rivière se brise et les gigantesques parcelles de glace sont transportées rapidement en aval. Ce phénomène, qui est appelé la débâcle, est une caractéristique commune de nombreux cours d'eau au Québec, au Canada, ou en général, dans les régions froides. Dans leur route, les parcelles de glace érodent une énorme masse de sédiments causant ainsi un impact écologique sérieux et peuvant aussi endommager les structures. L'accumulation de ces parcelles de glace entraîne des embâcles de glaces et cause une augmentation considérable du niveau d'eau et des inondations du serveur. Si l'embâcle de glace se brise, la vague d'inondation résultante sera également dévastatrice. Ces effets de la soi-disant dynamique de la glace de la rivière peuvent constituer une menace majeure pour les communautés voisines, causer de graves dommages aux infrastructures et nuire à la navigation et à la production hydroélectrique.

Ces impacts socio-économiques et écologiques importants rendent la prédiction et la compréhension de la dynamique de la glace de la rivière essentielles pour la conception et l'exploitation des structures fluviales, l'atténuation de la gestion des dangers liés et la protection de l'environnement. Néanmoins, malgré les avancées scientifiques actuelles, la dynamique de la glace des rivières est restée largement imprévisible. Ceci est principalement dû à la physique complexe de l'écoulement rapide du système de glace et d'eau. Faire face à ces complexités est encore au-delà de la capacité de nombreux modèles numériques existants. Le principal défi pour la modélisation numérique de la dynamique de la glace de la rivière est la façon de traiter les grandes déformations et les discontinuités, les changements de topologie fréquents et le comportement rhéologique complexe du mélange glace-eau. Le développement d'une génération révolutionnaire de techniques numériques, les méthodes Lagrangiennes sans maillage pour la mécanique discrète et continue, a été la première étape accomplie afin de résoudre ces complexités. La nature sans maillage de ces méthodes leur confère la souplesse nécessaire pour faire face aux déformations polyphasiques les plus complexes, ce qui leur permet de simuler le système de glace à eau hautement dynamique.

Cette recherche vise donc à élaborer les fondements théoriques et développer les techniques lagrangiennes sans maillage polyphasique pour la modélisation de la dynamique des rivières et étude précise de sa physique complexe. Les modèles seront basés sur la description discrète et la description continue des matériaux de glace, fournissant des outils numériques précis et pratiques pour les problèmes à petite et à grande échelle. Ils utiliseront également la puissance des technologies de calcul haute performance, en développant les modèles massivement parallèles, pour les simulations à l'échelle réelle. Cette recherche vise également à apporter une nouvelle compréhension au mécanisme complexe et aux processus impliqués dans le système de glace de l'eau de la rivière, en particulier pour le cas de l'embâcle de glace et son effet sur l'état de l'écoulement de la rivière.