Etude expérimentale et numérique de la turbulence et de la dispersion atmosphériques en conditions stables et en champ proche sur un site complexe

Experimental and numerical study of atmospheric turbulence and dispersion in stable conditions and in near field at a complex site

• Auteur / Autrice : Xiao Wei
• Direction : Bertrand Carissimo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 24/03/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Centre d'Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique / CEREA
• Jury : Président / Présidente : Philippe Drobinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Carissimo, Richard Perkins, Jean-Marc Lacome
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Dupont, Isabelle Calmet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence atmosphérique

Polluants atmosphériques

Diffusion atmosphérique

Mots clés libres

Dispersion atmosphérique

Atmosphère stable

Traçage

Hétérogénéité du terrain

Turbulence

Code_Saturne

Atmospheric dispersion

Stable atmosphere

Tracing

Terrain heterogeneity

Turbulence

Code_Saturne

Résumé

Un programme expérimental a été conçu afin d'étudier la dispersion des polluants sur un terrain complexe avec un accent mis sur des conditions stables qui restent délicates pour la modélisation numérique. Ce programme expérimental est mené sur le site du SIRTA dans la banlieue sud de Paris et consiste à mesurer en champ proche la turbulence et la dispersion des polluants. L'objectif de ce programme est de caractériser la structure fine de la turbulence et de la dispersion associée par des mesures à haute résolution temporelle et spatiale. Ensuite, ces mesures permettent de valider et d'améliorer la qualité de simulations CFD pour la turbulence et la dispersion sur un site fortement hétérogène. Le dispositif instrumental comprend 12 anémomètres ultrasoniques mesurant en continu la vitesse du vent et la température à 10 Hz, et 6 détecteurs à photo-ionisation (PID) mesurant la concentration de gaz à 50 Hz pendant des essais de traçage. Plusieurs périodes d’observations intensives (POIs) avec des rejets de gaz ont été réalisées depuis Mars 2012.Tout d'abord, une étude détaillée de l'écoulement du vent sur le site est réalisée, car l’écoulement doit être caractérisé et correctement simulé avant de simuler la dispersion des polluants. Cette étude est basée sur deux ans de mesures en continu et sur les mesures acquises durant les POIs. La forte anisotropie de la turbulence dans la couche de surface est caractérisée à l’aide du calcul des variances, des échelles de longueur intégrales et des spectres des trois composantes de la vitesse du vent. La propagation des structures turbulentes entre les capteurs est caractérisée en utilisant les corrélations de vitesse. Les spectres de vitesse montrent plusieurs pentes dans différentes zones de fréquence. En outre, l’analyse des données montre l’impact de l'hétérogénéité du terrain sur les mesures. La forêt au nord du site expérimental modifie la vitesse et la direction du vent pour un grand secteur nord. Il induit un fort cisaillement de la direction du vent et une décélération en dessous de la hauteur de la forêt. Les simulations numériques sont effectuées avec le code de CFD Code_Saturne en mode RANS avec une fermeture k-ε adaptée pour les écoulements atmosphériques et un modèle de canopée pour la forêt. Ces simulations reproduisent correctement les caractéristiques de l'écoulement moyen sur le site des mesures, en particulier l'impact de la forêt pour les différentes directions du vent et pour la stratification neutre et stable. Les résultats de simulation montrent aussi le cisaillement de direction du vent et l’augmentation de l’énergie cinétique turbulente induits par la forêt. Une étude de sensibilité montre que ces effets sur l'écoulement s’accentuent quand la densité foliaire augmente. L’étude de dispersion est réalisée pour plusieurs POIs. L’analyse des données de concentration montre la cohérence avec les mesures de campagnes précédentes réalisées dans des zones proches de la source. Les fluctuations de concentrations sont caractérisées à travers les séries temporelles, l'histogramme et l'analyse statistique des concentrations. Une zone inertielle peut également être identifiée dans les spectres de concentration. Ensuite, la dispersion des polluants est modélisée par les équations de transport pour la concentration et sa variance. La concentration moyenne est globalement en bon accord avec les mesures pour toutes les POIs étudiées. L’accord avec les mesures sur la position du maximum de concentration dépend de la précision de la rotation du vent simulée en-dessous de la hauteur de la forêt. Les fluctuations de concentration obtenues dans les simulations semblent être affectées de manière significative par la condition initiale et la modélisation du terme de dissipation. Une étude de sensibilité à la paramétrisation est ensuite présentée

An experimental program has been designed in order to study pollutants dispersion at a complex site with a focus on stable conditions, which are still challenging for numerical modelling. This experimental program is being conducted at the SIRTA site in a southern suburb of Paris and consists in measuring, in near field, the turbulence and the pollutants dispersion. The aim of this program is to characterize the fine structure of turbulence and associated dispersion through high temporal and spatial resolution measurements. Then, these measurements allow to validate and improve the performance of CFD simulation for turbulence and dispersion in a heterogeneous field. The instrumental set up includes 12 ultrasonic anemometers measuring continuously wind velocity and temperature at 10 Hz, and 6 photo-ionization detectors (PIDs) measuring gas concentration at 50 Hz during tracer tests. Intensive observations periods (IOPs) with gas releases have been performed since March 2012.First of all, a detailed study of flow on the site is made, because it must be characterised and properly simulated before attempting to simulate the pollutants dispersion. This study is based on two years of continuous measurements and on measurements performed during IOPs. Turbulence strong anisotropy in the surface layer is characterized by calculating variances, integral length scales and power spectra of the three wind velocity components. Propagation of turbulent structures between sensors has been characterized with velocity correlations. Energy spectra show several slopes in different frequency regions. Also, data analyses show impact of terrain heterogeneity on the measurements. The forest to the north of experimental field modifies wind velocity and direction for a large northerly sector. It induces a strong directional wind shear and a wind deceleration below the forest height. Numerical simulations are carried out using the CFD code Code_Saturne in RANS mode with a standard k-ε closure adapted for atmospheric flows and a canopy model for the forest. These simulations are shown to reproduce correctly the characteristics of the mean flow on the measurements site, especially the impact of the forest for different wind directions, in both neutral and stable stratification. Simulations results also show the directional wind shear and the turbulent kinetic energy increase induced by the forest. A sensitivity study has been made for various values of forest density and shows that the typical features of canopy flow become more pronounced as canopy density increases. Pollutants dispersion study are made for several IOPs. Concentration data analysis shows a consistency with previous measurements made in a near-source region where the plume scale is smaller than the large-scale turbulence eddies. Concentration fluctuations are characterized through concentration time series, histogram and statistical analysis. The internal subrange can be observed in the concentration spectra. Next, pollutants dispersion are modelled by transport equations for concentration and its variance. The mean concentrations show a good agreement with measurements in values for all the IOPs studied, except that the position of the concentration peak depends on the accuracy of simulated wind rotation below the forest height. The concentration fluctuations obtained from simulations seem to be affected significantly by the initial condition and the modelling of the dissipation term. A sensitivity study to the parameterisation is then presented