Simulations numeriques des ecoulements atmospheriques sur sols fortement heterogenes

Numerical simulations of atmospheric flours over rough heterogeneons terrain

• Auteur / Autrice : Jean-Philippe Costes
• Direction : MESTAYER
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Nantes

Résumé

Ces travaux sont destines a etablir des lois de parois adaptees a la simulation d'ecoulements au-dessus de terrains fortement inhomogenes. L'interet particulier pour les zones urbaines est la prise en compte de la taille et de la disposition des pieces du patchwork compose par la carte des differents quartiers urbains. Les lois de parois standards du modele de resolution des equations de navier-stockes-reynolds avec fermeture en k - ont ete construites a partir des relations analytiques d'equilibre d'une couche limite atmospherique sur un sol homogene infini, pour laquelle les parametres d'echelle de vitesse de cisaillement (u*), de longueur de rugosite (z#o) et de hauteur de deplacement (z#d) sont constants. Ces relations sont ici extrapolees a des situations hors equilibre, changements de rugosite et/ou de hauteur de deplacement. On en deduit ainsi la condition a la limite inferieure du domaine de calcul. Ce domaine est une boite cartesienne englobant la couche de surface, et dont le plancher est une distribution de rugosites (z#o et z#d), censee rendre compte des perturbations induites dans l'ecoulement amont par les changements de rugosite apparente du sol. Les simulations consistent alors a rechercher une solution stationnaire aux equations de navier-stokes-reynolds avec une description statistique de la turbulence en k - sur une telle configuration. La validation de ces lois de parois a ete faite en simulant le passage d'une couche limite atmospherique sur un front de rugosite 2-d pour differents rapports z#o#-#a#v#a#l / z#o#-#a#m#o#n#t, puis sur un ilot de rugosite, toujours en 2-d. L'exploitation de ces resultats a consiste a analyser et parametrer les perturbations horizontales et verticales induites dans la couche de surface par les heterogeneites du sol. Les simulations 3-d concernent aussi le passage d'une cla neutre sur un ilot de rugosite de forme geometrique simple. Ces simulations permettent de suivre le developpement transversal des couches internes et de mettre eventuellement en evidence des valeurs critiques des parametres adimensionnels pour lesquels l'ecoulement sur l'ilot change de regime avec des effets de contournement lateral de l'ilot. Enfin, un modele semi-analytique a ete construit pour decrire le passage d'une couche limite neutre bidimensionnelle sur un changement brusque de rugosite apparente du sol. Ce modele s'appuie sur l'observation systematique d'un grand nombre de simulations. Il predit la distribution de vitesse et de cisaillement dans la couche interne qui se developpe en aval du changement. Base sur des concepts voisins de ceux de elliot (1958) et de panofsky & townsend (1964), ce modele fournit une description plus exacte et plus complete de la couche interne. Les resultats de la comparaison du modele aux donnees experimentales de bradley (1968) sont particulierement encourageants