Innovative techniques for the 3D numerical simulation of high mountain torrent flows

(English) This thesis develops a numerical tool for the analysis of torrential flows in high-mountain area. The formulation is based on an Eulerian two-fluid, Newtonian incompressible approach combined with a level set method for capturing the free surface. One of the main contributions of the thesis is the improvement of the mass-preserving and energy-preserving properties of Eulerian two-fluid formulations. A consistent mass source term is added to adress the intrinsic mass losses of the level-set method, and a three-step splitting strategy is introduced to guarantee the energy-preserving properties of the numerical scheme for the coupled Navier–Stokes and free-surface convection problem. The formulation is also extended to non-Newtonian rheologies, providing the capability to reproduce the more complex flow behaviours exhibited during mass flow events. A method is proposed that adapts standard CFD boundary conditions within a two-fluid framework to hydraulic flows, allowing both supercritical and subcritical regimes to be accurately captured. A black-box tool for generating three-dimensional terrain meshes is also developed, producing geometries derived from real terrain data and enabling its application to mass flow hazard scenarios. The proposed framework is validated through theoretical, experimental, and real-scale cases. Among these cases, the glacier–rock collapse in Chamoli (India, 2021) is especially significant, as it demonstrates the capability of the developed tool to reproduce a large scale torrential event and confirms its suitability for high mountain mass flow hazard analysis. (Català) Aquesta tesi desenvolupa una eina numèrica per a l'anàlisi de fluxos torrencials en zones d'alta muntanya. La formulació es basa en un enfocament Eulerià bifàsic, newtonià i incompressible, combinat amb un mètode level set per a la captura de la superfície lliure. Una de les principals contribucions de la tesi és la millora de les propietats de conservació de massa i energia en formulacions en el marc Eulerià per a fluxos bifàsics. S'introdueix un terme font en la ecuacion de conservacion de massa de Navier Stokes per a abordar les pèrdues intrínseques del mètode level set, i es proposa una estratègia de three-step splitting que garanteix les propietats de preservació de l'energia de l'esquema numèric en el problema acoblat de Navier–Stokes i la convecció de la superfície lliure. La formulació també s'amplia a reologies no newtonianes, la qual cosa permet reproduir els comportaments de flux més complexos característics dels esdeveniments de moviment de masses. A més, es proposa un mètode que adapta les condicions de contorn estàndard de CFD, dins d'un marc bifàsic, a fluxos hidràulics, permetent capturar amb precisió règims tant supercrítics com subcrítics. Així mateix, es desenvolupa una eina black box per a la generació de malles tridimensionals del terreny, obtenint geometries derivades de dades topogràfiques reals i habilitant la seva aplicació en escenaris de perillositat per moviments de massa. El marc proposat es valguda mitjançant casos teòrics, experimentals i a escala real. Un dels casos més rellevants és el col·lapse glacial–rocós de Chamoli (l'Índia, 2021), que demostra la capacitat de l'eina desenvolupada per a reproduir un esdeveniment torrencial de gran escala i confirma la seva idoneïtat per a l'anàlisi de risc associats a fluxos de massa en alta muntanya. (Español) Esta tesis desarrolla una herramienta numérica para el análisis de flujos torrenciales en zonas de alta montaña. La formulación se basa en un enfoque Euleriano bifásico, newtoniano e incompresible, combinado con un método level set para la captura de la superficie libre. Una de las principales contribuciones de la tesis es la mejora de las propiedades de conservación de masa y energía en formulaciones en el marco Euleriano para flujos bifásicos. Se introduce un término fuente en la ecuacion de conservacion de masa de Navier Stokes para abordar las pérdidas intrínsecas del método level set, y se propone una estrategia de three-step splitting que garantiza las propiedades de preservación de la energía del esquema numérico en el problema acoplado de Navier–Stokes y la convección de la superficie libre. La formulación también se amplía a reologías no newtonianas, lo que permite reproducir los comportamientos de flujo más complejos característicos de los eventos de movimiento de masas. Además, se propone un método que adapta las condiciones de contorno estándar de CFD, dentro de un marco bifásico, a flujos hidráulicos, permitiendo capturar con precisión regímenes tanto supercríticos como subcríticos. Asimismo, se desarrolla una herramienta black box para la generación de mallas tridimensionales del terreno, obteniendo geometrías derivadas de datos topográficos reales y habilitando su aplicación en escenarios de peligrosidad por movimientos de masa. El marco propuesto se valida mediante casos teóricos, experimentales y a escala real. Uno de los casos más relevantes es el colapso glaciar–rocoso de Chamoli (India, 2021), que demuestra la capacidad de la herramienta desarrollada para reproducir un evento torrencial de gran escala y confirma su idoneidad para el análisis de riesgo asociados a flujos de masa en alta montaña.