Description de la méthodologie suivie pour traiter une simulation...

Tutorial MIKE 21 – DHI Software

Description de la méthodologie suivie pour traiter une simulation MIKE

BEI 4 | Etude de l’impact des surcotes Année 2007 – 2008 Date de publication : Mars 2008 ENSEEIHT 3Hy SEE - MFN


SOMMAIRE

1. RECUEIL DES DONNEES NECESSAIRES ........................................................................................... 3

1.1. TRAITEMENT......................................................................................................................................... 3 2. GENERATION DE LA GEOMETRIE DU MAILLAGE ....................................................................... 4

2.1. SYSTEME DE PROJECTION...................................................................................................................... 4 2.2. IMPORTATION DES DONNEES................................................................................................................. 5 2.3. TRAITEMENT DES DONNEES .................................................................................................................. 6 2.4. CREATION DE CONDITIONS AUX LIMITES............................................................................................... 7 2.5. DEFINITION DES ZONES A MAILLER ....................................................................................................... 8 2.6. GENERATION DU MAILLAGE.................................................................................................................. 8

3. CONFIGURATION D’UN FICHIER DE SIMULATION.................................................................... 11 4. CONFIGURATION DU MODULE COUPLE SPECTRAL WAVE - HD ............................................ 18 5. LOGICIELS LIBRES ............................................................................................................................... 22

Remarques : L’ensemble des images et des valeurs indiquées dans ce tutorial sont

tirées du travail effectué sur l’embouchure de la Gironde. Ce travail a été réalisé par des étudiants de l’ENSEEIHT. Il se propose

d’aider les utilisateurs du logiciel MIKE, cependant il ne se veut pas exhaustif. De nombreux autres modules ne sont pas mentionnés dans ce document. Pour toute information complémentaire, se reporter au manuel d’utilisateur.


1. Recueil des données nécessaires

Définition du modèle :

données bathymétriques et topographiques de la côte et des cours d’eau

données explicitant le contour de la zone, c'est-à-dire les limites des fleuves, des côtes et toutes autres délimitations terre-eau à prendre en compte.

Le contour peut-être tracé à partir d’une image géo référencé (geoportail – Image des SCAN 25 de l’IGN ou google earth)

marée prédite (SHOM…)

surcotes aux conditions aux limites (Météo France…)

marée mesurée (SHOM sur le site du SONEL…)

distribution du vent et de la pression (Météo France…)

rugosité du fond (SPC, LNHE …)

Conseils :

- Etre rigoureux sur la nomenclature des données et l’organisation des dossiers

1.1. Traitement Référence temporelle :

Suivant la situation géographique, les données peuvent ne pas se baser sur le même système temporel. Il faut donc veiller à mettre l’ensemble des données à la même référence, par exemple UT +0.

Référence hydrographique :

La plupart des données de hauteurs d’eau collectées sont mesurées à partir du zéro hydrographique, mais il se peut que vous en obteniez certaines mesurées à partir du niveau moyen (voire même à partir d’une référence locale). Dans ce cas, une correction devra être appliquée (cf. http://www.shom.fr)

Interpolation avec Toolbox :

Des traitements temporels sont possibles à l’aide de la TOOLBOX de MIKE ZERO. On pourra alors modifier le pas de temps, insérer des nouvelles valeurs pour combler des vides.

Format de fichier MIKE :

Vous devrez peut-être confectionner des programmes pour convertir les données collectées au format MIKE. Certains fichiers peuvent être lus en mode ASCII (ouverture fichier texte). Vous pouvez vous inspirer de cette mise en forme pour exécuter vos programmes.

http://www.shom.fr/


2. Génération de la géométrie du maillage

2.1. Système de projection Pour la conception du maillage, il faut déterminer le système de projection. Ce choix influence uniquement le format des résultats et de l’affichage. Il vaut mieux le prendre identique à ceux de résultats déjà préexistants. Mais il peut être différent des systèmes des données (bathymétrie, contours…).

Lors de l’importation des données, il faut les uniformiser par rapport au système choisi. En effet, les données sont généralement projetées en LONG/LAT alors que l’on souhaite les avoir en projection UTM. Pour ce faire, on utilise un module de conversion disponible avec MIKE21 :

Comme indiqué dans l’encadré précédent, le système A est en coordonnées géographiques WGS_1984_UTM_Zone_30N. Ensuite, il faut configurer le système B dans un système de coordonnées France II. Une fois les paramètres de changement saisis dans les cases adéquates, il faut presser le bouton « Convert from A to B ».

Onglet File → Options → Datum Convert (ouverture du convertisseur)

File → Open (ouverture du fichier à traiter)

Configurer les paramètres de conversion


2.2. Importation des données Ouvrir Mesh Generator et choisir un système de projection.

exemple : « France II » (Lambert II étendu) pour la Gironde

Onglet Data → Import Boundary

Cette commande permet d’importer le contour limite du maillage à partir des données transformées précédemment (fichier *.xyz).

On obtient une géométrie de ce type :

Onglet Data → Import Scatter Data

Les données bathymétriques sont importées dans le fichier de maillage à ce niveau. Il faut ensuite solliciter le bouton « Add » pour aller chercher les fichiers nécessaires (fichiers *.xyz). Ici, nous utilisons une projection LONG/LAT.

Les données se présentent sous cette forme :


2.3. Traitement des données Après avoir importé toutes ces données, nous allons créer un maillage. Plusieurs étapes sont alors nécessaires à l’élaboration d’un tel projet :

éliminer les irrégularités du contour : suppression des points impliqués dans des zones singulières.

déplacer les points du contour qui ne coïncideraient pas avec la bathymétrie. Il est parfois possible que certains points bathymétriques sortent des limites du contour si les données ne proviennent pas de la même source.

créer d’éventuels arcs afin de délimiter des zones de maillage plus raffinées.

Exemple pour la création d’un arc :

-Insérer deux nœuds (points bleus – Nodes) dans le contour marquant les limites de l’arc. Il est possible de transformer des points de contour (rouge – Vertices) en nœuds (bleu) en le sélectionnant, et en utilisant l’action « vertices -> nodes ».

-sélectionner l’onglet « création d’arc »

-tracer un arc reliant les nœuds précédemment crées en cliquant autant de fois que l’on souhaite avoir de points de contours.

Création de nœuds (points bleus) par rupture du contour via la gomme

Quelques clics de souris plus tard Fin de l’arc, le point bleu est atteint


Il faut ensuite fermer le contour et transformer les nœuds en points de contours. Pour ce faire, nous utilisons l’onglet pour sélectionner les arcs. Ensuite, nous transformons les anciens points limites, autres que les nœuds, en points intérieurs de la façon suivante :

sélection du point considéré → clic droit → « Nodes to Vertices »

IL FAUT FAIRE ATTENTION A :

Que les contours soient bien fermés, notamment lorsqu’on importe une série de ligne

Que les points de contours soient uniformément distribués

En effet, il s’agit de générer un maillage le plus régulier possible. Or chaque point de contours est un nœud de maillage. Dans ce but, nous procédons comme suit :

sélection de l’arc considéré → clic droit → « Redistribute Vertices »

Il est important de savoir que la rapidité de calcul sera proportionnelle à la taille de la plus petite maille du domaine : en effet, logiciel estime le nombre de courant (condition CFL) pour chaque élément et fixe le pas de temps pour que la condition de stabilité CFL < 1 soit vérifiée partout. Or, cette condition est la plus restrictive pour la plus petite maille. Ainsi, une simple maille anormalement petite va ralentir l’ensemble de la simulation d’un facteur 2, voir plus.

2.4. Création de conditions aux limites Nous commençons par examiner les fichiers de données afin d’en extraire la position des points où nous possédons des valeurs de conditions limites. Nous positionnons alors ces points sur notre maillage. Ils serviront à délimiter les frontières limites.

Choix des coordonnées d’un point :

création d’un point

positionnement : clic droit → « Properties » → saisie des coordonnées

Ensuite, toujours avec la fonction « Draw arcs », nous relions les nœuds précédemment crées et nous dessinons les contours de nos conditions en redistribuant les points selon notre convenance. Il s’agit alors de définir les groupes de points de chaque condition limite :

clic droit → « Properties »

Nous parvenons à la fenêtre suivante pour le segment sélectionné, dont la limite est définie par deux nœuds (bleu) :


rentrer une valeur pour désigner la condition limite de l’arc (attention à ne pas utiliser

0 ou 1 qui sont utilisés pour les frontières solides, par défaut)

veiller à ce que les nœuds de début et de fin (correspondant aux deux nœuds des extrémités du segment) possèdent des valeurs qui coïncident avec les valeurs des conditions limites jouxtant l’arc considéré.

2.5. Définition des zones à mailler Pour différencier les zones à mailler des zones à exclure du maillage, nous mettons en place des points de zone (points verts) définissant les caractéristiques de la zone concernée (polygone). La procédure est :

création du point de zone

clic droit → « Properties »

Soit on exclut le polygone du maillage

Soit on définit une aire maximum (en m²) pour les triangles qui vont mailler l’intérieur du polygone

Il faut vérifier que la distribution des points de contour coïncide avec l’aire des triangles. Par exemple, il faut éviter de trop rapprocher les points du contour lorsque l’aire maximum des triangles est grande, cela raffine certaines zones de manière hétérogène.

2.6. Génération du maillage Une fois les étapes précédentes remplies, il suffit de sélectionner les onglets suivants :


Il faut toujours configurer la triangulation en indiquant la plus grande aire apparaissant dans le maillage. Le polygone pour lequel les triangles ont la plus grande aire est donc à considérer et l’aire maximum de ses éléments est reportée dans l’onglet de triangulation.

Les polygones qui ont été définis avec des points verts possèderont des mailles de la taille définie par les propriétés du point. Les autres seront maillés avec la taille inscrite dans la fenêtre de triangulation.

Nous lançons la triangulation avant de lisser le maillage via la suite de manœuvre :

Mesh → « Smooth Mesh » (nous gardons les paramètres choisis par défaut)

Nous terminons par l’interpolation via la fonction « interpolate » pour laquelle nous conservons également les valeurs par défaut. Cette étape permet de déterminer une bathymétrie propre à chaque nœud du maillage.

Remarque : pensez à sauvegarder à ce moment car la procédure d’interpolation peut avoir pris pas mal de temps (~10 min).

Mesh → « Export Mesh »

Remarque : en 1ère étude, il est plus judicieux de commencer par créer un maillage assez large de la zone qui nous intéresse. De cette façon, le calcul numérique est relativement court et permet de visualiser rapidement les paramètres de configuration à modifier. Grâce à ce maillage grossier, nous pouvons donc caler le modèle assez rapidement.


En 2ème approche, le maillage est raffiné puis introduit dans le modèle afin d’obtenir des résultats plus précis.

Ordre de grandeur :

Exemple pour le cas de la Gironde :

Nom du maillage

Nombre de nœuds

Taille min de maille

en m

Temps de calcul

Tsimu /Tcalcul

Maillage XXL 770 150 500

Maillage L 3700 150 70

Maillage M 8000 100 30

Maillage S 11000 100 6


3. Configuration d’un fichier de simulation Commencer par lancer le module « Flow Model FM » dans l’onglet MIKE21. La page d’accueil se présente comme suit :

Il faut maintenant informer des paramètres de simulation. Pour ce faire, nous avancerons progressivement en suivant les étapes de la navigation, à commencer par définir le maillage utilisé.

Procédure :

« Domain » → charger le maillage créé précédemment


Remplir ensuite l’onglet du temps. Il faut veiller à ce que la durée de simulation soit comprise dans l’intervalle de temps des données utilisées (données de vent, données aux limites du domaine, …).

L’onglet « Module Selection » permet de prendre en compte des effets de transport sédimentaire, pollution et autres. Nous nous sommes contentés de l’utilisation du module hydrodynamique.

Nous configurons ensuite l’onglet « Hydrodynamic Module » :

les paramètres de la solution technique sont pris par défaut

les paramètres qui définissent les zones sèches des zones humides sont choisis comme suit :

La masse volumique reste barotropique

L’échelle de viscosité est conservée telle quelle


Le coefficient de frottement au fond est un paramètre sur lequel nous pouvons jouer.

Dans un 1er temps, nous choisissons un coefficient de Chézy constant, égal à 48m1/2/s.

Nous pouvons ensuite tester l’influence de la valeur de ce paramètre sur le résultat de notre simulation. Il suffit de comparer les hauteurs d’eau réellement mesurées aux hauteurs d’eau modélisées pour différentes valeurs du nombre de Chézy.

Il est également possible de créer un fichier de données variant dans l’espace. Dans ce cas, le nombre de Chézy change dans le domaine selon le type de fond rencontré. Par exemple, quelques recherches bibliographiques nous ont fourni les informations suivantes :

Coefficient de Chézy :

45 m1/2/sec (Cf = 0.0098) pour les roches 100 m1/2/sec pour la vase (Cf = 0.002) 80 m1/2/sec (Cf = 0.003) pour le sable fin 60 m1/2/sec (Cf = 0.0056) pour le sable grossier

Création d’un domaine à nombre de Chézy variable :

La création d’un tel fichier s’effectue sous « Data Manager ». Nous importons alors un maillage ou un fichier de résultat afin d’obtenir la géométrie du domaine. L’axe du temps doit impérativement être spécifié quelque soit l’option choisie (le paramètre « unspecified » bloque l’éditeur à l’enregistrement du fichier).

Nous définissons ensuite un nom, un type et une unité pour la variable considérée en cliquant sur l’onglet «Add item ».

Le domaine apparaît à l’écran. Il suffit ensuite de sélectionner la zone d’intérêt et de lui attribuer une valeur de nombre de Chézy via la procédure suivante :


Clic droit dans le domaine → « Select area » → série de clics gauches pour définir la zone → double clic pour terminer la zone

Les nœuds du maillage qui définissent la zone sélectionnée apparaissent à gauche de la fenêtre graphique. Il faut alors leur attribuer la valeur souhaitée en utilisant l’outil « calculator » qui permet d’attribuer une valeur à chaque élément sélectionné. Nous réitérons cette opération jusqu’à ce que le domaine soit entièrement défini selon un nombre de Chézy. Puis nous enregistrons ce fichier nouvellement créé.

Retour sur l’onglet « Hydrodynamic Module » :

Paramétrage du forçage de vent : il est possible d’inclure un vent sur le domaine d’étude. Pour ce faire, on utilise un fichier de données 2D préalablement traité avec le module « Grid series .dfs2 ». Ce fichier est alors chargé comme suit.


L’option « Soft start interval » permet d’appliquer le vent après un temps fixés afin de ne pas faire diverger le calcul lors du premier pas de temps.

Remarque : les pressions prisent en compte doivent être en hectopascal, même si le fichier .dfs2 précise une autre unité. Une divergence du calcul au premier pas de temps peut venir d’une erreur d’unité.

Nous ne configurons pas de zone recouverte de glace

L’option jouant sur le potentiel de marée est laissée de côté car le domaine est trop petit pour être influencé par de tel phénomène.

Nous ne paramétrons pas non plus de pluie, car leurs influences sur les surcotes sont négligeables comparé à la précision de nos calculs.

« Wave radiation » est inchangé dans un premier temps. Il permet de prendre en compte l’interaction des vagues sur la résolution hydrodynamique de l’écoulement.

Les conditions initiales sont précisées ci-dessous :

L’élévation de la surface océanique initiale correspond à la hauteur de l’eau des conditions limites au premier pas de temps. Ceci permet au modèle un départ moins brutal et une stabilisation plus rapide. Dans un 1er temps, nous utilisons cette valeur constante comme condition initiale pour une simulation sans forçage atmosphérique (pas de champ de pression


ni de vent). Les résultats obtenus aux premiers instants de l’événement choisi sont ensuite intégrés dans une nouvelle simulation du même événement en tenant compte cette fois des conditions atmosphériques de la zone d’étude. Comme nous sommes généralement limité sur les durées de simulations par les plages temporelles des données météos 2D, cette méthode permet de commencer la simulation plus top et d’éliminer les erreurs d’initialisation du domaine plus rapidement.

Les conditions à la limite :

Après avoir visualisé le nom associé à la condition limite sur la vue géographique, il faut paramétrer ces conditions une par une.

Condition de glissementNiveau d’eau imposé

Conditions de débit

Les conditions de glissement correspondent à une vitesse normale nulle Les conditions de débit sont chargées à partir des données recueillies auprès de la

banque Hydro. Ces données ont été traitées au préalable par le logiciel HEC-HMS afin d’utiliser un modèle d’onde cinématique qui propage les débits des points de mesures jusqu’à l’entrer de notre domaine.

Le niveau d’eau imposé en limite ouest est chargé à partir d’un fichier « line series .dfs1». Il s’agit de la somme de la marée prédite par MIKE21 et de la surcote prédite par le modèle de Météo France.

Exemple des paramètres pour la frontière ouest :


Créer des fichiers de sortie :

Nous utilisons l’onglet « New output » pour mettre en place les différentes sorties. La valeur du dernier pas de temps est identique à celle configurée dans le module « time ». Les coordonnées des points où l’on souhaite obtenir les résultats sont alors spécifiées dans la partie « Point series ». Ci-dessous, le paramétrage d’un fichier de résultats 2D.

Remarque : la fréquence de sortie de données est à configurer avec précision. En effet, plus les données sont écrits fréquemment, plus le calcul va être entrecoupé de période d’écriture


sur le disque dur, ce qui peut ralentir la simulation considérablement. Il faut donc se contenter d’un pas de temps comparables aux valeurs mesurés sur le site (10 à 20 min). Pour les champs 2D, le problème peut être l’espace libre sur le disque, car ces fichiers sont volumineux.

4. Configuration du module couplé spectral wave - HD

Comme dans la partie simulation « Flow Model FM », nous allons décrire pas à pas les différentes informations à compléter.

Tout comme dans le module précédent, il faut charger le maillage et informer les données de temps.

Nous devons alors compléter deux modules successifs. Tout d’abord nous avons accès au module hydrodynamique (voir chapitre 3, configuration d’un fichier de simulation).

Il faut ensuite configurer le module spectral wave :

Nous prenons une formulation des « basic equations » complète (fully spectral formulation) et un modèle instationnaire

Nous faisons commencer les « time parameter » à l’instant initial (0).

Les paramètres de « special discretization » sont pris constants (avec en particulier aucune séparation spectrale de la houle et de la mer de vent)


les paramètres de la solution technique sont pris par défaut

les conditions de niveau d’eau sont calculées à partir du module hydrodynamique.

Les courants ne sont pas pris en compte

Comme dans le module précédent il faut indiquer un fichier météo pour l’onglet « wind forcing », la pression ne joue pas de rôle dans le module spectral wave.

Nous ne configurons pas de zone recouverte de glace

Dans l’onglet « energy transfer » nous n’incluons que le « quadruplet-wave interaction »

Les valeurs dans l’onglet « wave breaking » sont celles par défaut

Le frottement au fond (bottom friction) est configuré à l’aide du modèle de Nikuradse

(kn est prise constant et égale à 0.04 m)


Nous incluons dans notre calcul la prise en compte de l’écrêtement (white capping). Les valeurs prises sont celle par défaut

Pour les conditions initiales, nous prenons un spectre provenant de formules empiriques. Le type de formule est le type JONSWAP (modèle le plus utilisé) et ses valeurs sont celles par défaut

Les conditions à la limite :

Les codes 6 et 5 sont pris comme « closed boudary »

Les codes 4 et 2 sont pris comme « lateral boundary »


Le code 3 est configuré comme suit, avec des données de « significant wave height », « peak period » et « mean wave direction » et « spreading index ». Les fichiers doivent être chargés à partir d’un fichier dfs1.

Nous ne mettons pas de « soft time »

Les fichiers de sortie (output) sont configurés comme dans le module précédent en incluant par exemple les items de sorties suivants :

Remarque : Il faut noter que ce module de couplage prend en compte l’influence de la houle sur l’élévation de surface et vis versa. Les temps de calcul sont parfois longs pour ce module de couplage et les fichiers de sortie volumineux.


5. Logiciels libres Voici quelques logiciels que nous avons utilisés, et qui ont l’avantage d’être gratuit.

Logiciel Utilité Source

HEC-HMS Modèle d’hydrodynamique à casier

Gimp Traitement d’image www.telecharger.com

Crimson editor Tableur (sans limite de ligne)

Convers Changement de système géodésique http://vtopo.free.fr/convers.htm

http://vtopo.free.fr/convers.htm

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