Hybrid flow modelling of culvert spoiler baffles designed to create shelters during upstream fish passage.

Larrivée-Larouche, Sophie (2023). Hybrid flow modelling of culvert spoiler baffles designed to create shelters during upstream fish passage. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 104 p.

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Résumé

Un déclin des populations de poissons a été observé ces dernières années, en partie dû à la présence de barrières hydrauliques le long des voies migratoires - tels que des barrages, des ponceaux et des ponts de route - qui fragmentent l’habitat disponible. Cette recherche utilise la dynamique des fluides computationnelle (CFD) afin de soutenir la conception de saillies profilées. Ces saillies, installées dans des ponceaux, génèrent des zones de vitesse réduite (RVZ) et permettent aux poissons de se reposer lors de leurs tentatives de franchissement des barrières hydrauliques, tout en minimisant les pertes de charge dans l’infrastructure. Plus précisément, le modèle de Smagorinsky a été utilisé pour modéliser les champs de vitesses 3D autour de saillies de différentes formes et tailles, et ce pour deux conditions hydrauliques. Les modélisations ont été validées à l’aide de vitesses mesurées avec un vélocimètre acoustique à effet Doppler et de vidéos de la forme et taille des RVZ générées par les saillies. Les résultats indiquent que les conditions hydrauliques impactent la largeur de la RVZ, mais pas sa hauteur ni sa longueur. La condition la plus turbulente est généralement associée à une RVZ plus large pour une même hauteur de saillie. Cette augmentation de la largeur pourrait potentiellement être causée par l’utilisation d’une grille computationnelle légèrement plus grossière pour cette seconde condition hydraulique. La hauteur de la RVZ est directement liée à la hauteur de la saillie, et la longueur de la RVZ est prédite à la fois par le niveau de submersion des saillies et par le rapport de la largeur de la saillie sur sa hauteur. Le modèle de Smagorinsky fournit des résultats conservateurs : les vitesses dans la RVZ tendent à être légèrement sous-estimées, alors qu’elles sont surestimées dans la couche de cisaillement et dans la région de libre circulation. Comparé à une modélisation 1D ou 2D, le modèle Smagorinsky permet une reproduction apparemment réaliste des tourbillons générés en aval des saillies, bien qu'à un coût en temps de calculs élevé. Les résultats confirment la pertinence d’utiliser le modèle Smagorinsky pour soutenir la conception de systèmes visant à faciliter le passage des poissons vers l’amont d’une structure hydraulique.

A significant decline in fish populations has been observed in recent years, partly attributable to the presence of hydraulic barriers along migration paths – such as dams, culverts and road bridges – which fragment the habitat available to fish. This research uses computational fluid dynamics (CFD) to support the design of streamlined spoiler baffles. These spoiler baffles, installed in culverts, generate reduced velocity zones (RVZ) which allow fish to rest during their attempts to cross hydraulic barriers, while minimizing head loss within the infrastructure. More precisely, the Smagorinsky model was used to model the 3D velocity fields around spoiler baffles of different shapes and sizes, under two hydraulic conditions. The models were validated using velocities measured with a velocimeter and videos of the shape and size of the RVZs generated by the spoiler baffles. The results indicate that hydraulic conditions have an impact on the width of the RVZ, but not on its height or length. The most turbulent condition was generally associated with a larger RVZ for spoiler baffles of a given height, which might be attributable to the use of a slightly coarser computational mesh for this hydraulic condition. The height of the RVZ was directly linked to the height of the spoiler baffle, and the length of the RVZ is predicted by both the submersion level of the spoiler baffle and the ratio of the width of the spoiler baffle to its height. The Smagorinsky model provides conservative results; Velocities within the RVZ tend to be slightly underestimated, while they are overestimated in the shear layer and in the free-flow region. Compared to 1D or 2D modeling, the Smagorinsky model allows an apparently realistic reproduction of the vortices generated downstream of the spoiler baffles, although at a high computational cost. The results confirm the relevance of using the Smagorinsky model to support the design of systems aimed at facilitating the passage of fish upstream hydraulic structures.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Bergeron, Normand
Mots-clés libres:	modélisation hybride; migration et déplacement; poisson; sillage; dynamique des fluides computationnelle; Smagorinsky; hybrid modelling; fish migration; wake; computational fluid dynamic
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	31 août 2023 13:52
Dernière modification:	31 août 2023 13:52
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13537

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