Modélisation de la dispersion des polluants à l'échelle de la ville et de la rue : expériences en soufflerie et théorie des réseaux complexes

Modeling pollutant dispersion at the city and street scales : from wind tunnel experiments to complex network theory

• Auteur / Autrice : Sofia Fellini
• Direction : Pietro Salizzoni, Luca Ridolfi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 04/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Politecnico di Torino
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Andrea Rinaldo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pietro Salizzoni, Luca Ridolfi, Costantino Manes, Enrico Ser-Giacomi, Silvana Di Sabatino, Catherine Gorlé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Rinaldo, Maarten Van Reeuwijk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Pollution atmosphérique

Mots clés libres

Pollution atmosphérique urbaine

Réseaux complexes

Vulnérabilité urbaine

Vitesse d'échange verticale

Rue-canyon

Expériences en soufflerie

Urban air pollution

Complex networks

Urban vulnerability

Wash-out velocity

Street canyon

Wind tunnel experiments

Résumé

La pollution atmosphérique dans les zones urbaines constitue une menace sérieuse pour la santé et la sécurité des résidents. Centres d'activité économique, politique et sociale, les villes sont densément peuplées et exposées à un grand nombre de sources de pollution. Ces facteurs, ainsi que le risque d'actes malveillants à des fins terroristes, les rendent extrêmement vulnérables aux rejets gazeux. Afin de prévoir et gérer la pollution atmosphérique, il est très important de comprendre et de modéliser les phénomènes de dispersion dans l'atmosphère urbaine. Contrairement au transport loin des parois, l'écoulement et la dispersion dans la canopée urbaine sont principalement régis par la géométrie complexe de la ville. L'objectif de cette thèse est d'étudier et de modéliser l'effet de la forme urbaine sur la dispersion des polluants à deux échelles spatiales différentes: à l'échelle du quartier et à l'échelle de la rue. Le tracé des rues est la géométrie dominante à l'échelle du quartier. Partant de ce constat, la première partie de cette thèse propose une nouvelle perspective basée sur la théorie des réseaux complexes pour analyser et modéliser le transport de polluants le long des rues d'une ville. La canopée urbaine est modélisée comme un réseau. Les rues-canyons et leurs intersections façonnent la structure spatiale du réseau. La direction et la capacité de transport de l’écoulement dans les rues déterminent les directions et le poids des liens du réseau. Avec cette interprétation mathématique, la propagation est modélisée comme un processus de diffusion sur un réseau et les zones les plus dangereuses d'une ville sont identifiées comme les nœuds avec le potentiel de diffusion le plus élevé. Dans ce but, nous introduisons une nouvelle métrique de centralité adaptée au transport de masse dans les réseaux de flot. L'approche proposée fournit un outil opérationnel pour identifier les lieux d'une ville avec le potentiel de dispersion le plus élevé. En outre, le modèle est utile pour identifier les propriétés structurelles qui rendent les villes vulnérables à la pollution atmosphérique. La comparaison entre quatre villes emblématiques, aux plans urbains différents, montre que la vulnérabilité dépend des propriétés topologiques du tissu urbain: la connectivité des rues et la variabilité de l'orientation des rues par rapport à la direction du vent extérieur. À l'échelle de la rue, les dynamiques d'écoulement et de dispersion sont régies par la géométrie du canyon. Le transport des polluants peut être décomposée en transport longitudinal le long de la rue et en transfert vertical entre le canyon et l'écoulement extérieur. La vitesse moyenne de l'écoulement régit la dispersion le long de la rue. En revanche, les mécanismes d'échange de masse dans le sens vertical ne sont pas encore parfaitement compris. La deuxième partie de cette thèse analyse ces processus à l'aide d'expériences en soufflerie qui simulent la dispersion de polluants dans un canyon orienté perpendiculairement à la direction du vent. Dans cette configuration, l'échange vertical est le seul mécanisme de ventilation du canyon. Au cours des expériences, les conditions du canyon sont modifiées en chauffant alternativement les parois latérales, en modifiant le rapport hauteur/largeur du canyon et en introduisant des éléments de rugosité sur les parois. Deux rangées de maquettes d'arbres sont disposées le long du canyon pour simuler la végétation urbaine. Des mesures de vitesse et de concentration sont effectuées dans le canyon et une vitesse d'échange caractéristique entre la rue-canyon et l'atmosphère sus-jacente est estimée pour quantifier la ventilation globale du canyon dans les différentes configurations. Les résultats montrent que l'efficacité de l'échange vertical entre le canyon et l'écoulement externe est principalement déterminée par l'énergie cinétique turbulent à l'intérieur du canyon. [...]

Air pollution in urban areas is a major concern for the health and safety of citizens. Hubs of economic, political and social activities, cities are densely populated and are exposed to a large number of pollution sources. These factors, together with the risk of malicious acts for terrorist purposes, make them extremely vulnerable to gaseous releases. To predict and manage air pollution scenarios, the understanding and modeling of dispersion phenomena in the urban atmosphere is crucial. Differently from transport processes far from boundaries, flow and dispersion in the urban canopy are primarily governed by the intricate geometry of the city. The aim of this thesis is to investigate and model the effect of urban form on the dispersion of pollutants at two different spatial scales: at the scale of the district and at the scale of the single street canyon. Urban street pattern is the dominant geometry at the district scale. Starting from this observation, the first part of this thesis proposes a new perspective based on the theory of complex networks to analyze and model the transport of pollutants along the streets of a city. The urban canopy is modelled as a network. Street canyons and their intersections shape the spatial structure of the network. The direction and the transport capacity of the flow in the streets define the direction and the weight of the links. Adopting this mathematical interpretation, propagation is modelled as a spreading process on a network and the most dangerous areas in a city are identified as the best spreading nodes. To this aim, a novel centrality metric tailored to mass transport in flow networks is derived. Besides providing an operational tool to identify the places in a city with the highest potential for dispersion over large areas, the proposed approach is suitable to investigate which structural properties of a city make it fragile to air pollution. The comparison between four emblematic cities with different urban patterns evidences that vulnerability is driven by the topological properties of the urban fabric, i.e., street connectivity and the variability in the orientation of the streets with respect to the approaching wind. At the scale of the single street, flow and dispersion dynamics are governed by the canyon geometry. The dispersion of pollutants can be decomposed in the longitudinal transport along the street and the vertical transfer between the canyon and the external flow. While advection drives the dynamics along the canyon axis, the mechanisms of mass exchange in the vertical direction are still not fully understood. The second part of this thesis investigates these processes by means of wind tunnel experiments of pollutant dispersion in a canyon oriented perpendicular to the wind direction. In this configuration, the vertical exchange is the dominant mechanism of canyon ventilation. Keeping the external flow unaltered, we analyze the effect of different boundary conditions at the building walls and the presence of obstacles within the canyon. The boundary conditions are modified by alternatively heating the downwind and upwind walls of the canyon, by changing its aspect ratio and by introducing roughness elements at walls. Two rows of model trees are arranged at the sides of a street canyon to simulate urban vegetation. ùVelocity and concentration measurements are performed within the canyon and a characteristic exchange velocity between the street canyon and the overlying atmosphere is estimated to quantify the overall canyon ventilation in the different configurations. Results evidence that the efficiency of the vertical exchange between the canyon and external flow is mainly driven by the fluctuating component of the turbulent flow within the canyon. The intensity and spatial distribution of the turbulent kinetic energy field varies according to the geometry of the canyon, the conditions imposed at the walls and the presence of obstacles. [...]

L’inquinamento atmosferico nelle aree urbane rappresenta una grave minaccia per la salute e la sicurezza dei cittadini. Centri di attività economica, politica e sociale, le città sono densamente popolate ed esposte a un gran numero di sorgenti inquinanti. Questi fattori, assieme al rischio di atti dolosi a scopo terroristico, le rendono estremamente vulnerabili ai rilasci gassosi. Al fine di prevedere e gestire l’inquinamento atmosferico, è fondamentale comprendere e modellare i fenomeni di dispersione nell’atmosfera urbana. A differenza delle dinamiche lontano da parete, il flusso e la dispersione nel tessuto urbano sono governati principalmente dalla complessa geometria della città. L’obiettivo di questa tesi è studiare e modellare l’effetto della forma urbana sulla dispersione di inquinanti a due diverse scale spaziali: a livello del quartiere e a livello della singola strada. Alla scala del quartiere, la geometria dominante è quella del reticolo urbano. Partendo da questa osservazione, la prima parte della tesi propone un metodo innovativo, basato sulla teoria delle reti complesse, per analizzare e modellare il trasporto di inquinanti lungo le strade di una città. Il dominio urbano è modellato come una rete. Le strade e gli incroci danno forma alla struttura spaziale della rete. La direzione del vento e la sua capacità di trasporto nelle strade determinano la direzione e il peso dei link della rete. Grazie a questa interpretazione matematica, la propagazione viene modellata come un processo di diffusione su rete e le aree più pericolose di una città vengono identificate come i nodi con il più alto potenziale di diffusione. Per stimare tale potenziale, introduciamo una nuova metrica di centralità in grado di descrivere il trasporto di massa nelle reti di flusso. L’approccio proposto fornisce uno strumento operativo per l’identificazione delle aree di una città con il più alto potenziale di dispersione. Inoltre, il modello è utile per investigare quali proprietà strutturali rendono le città maggiormente vulnerabili all’inquinamento atmosferico. Il confronto tra quattro città emblematiche, con differenti strutture urbanistiche, mostra che la vulnerabilità dipende dalle proprietà topologiche del tessuto urbano: dalla connettività delle strade e dallla variabilità dell’orientamento delle strade rispetto alla direzione del vento esterno. Alla scala della singola strada, le dinamiche di flusso e di dispersione sono regolate dalla geometria del canyon stradale. Il trasporto di inquinanti può essere ix scomposto in un trasporto longitudinale lungo la strada e in un trasferimento verticale tra il canyon e l’atmosfera esterna. La velocità media del vento lungo la strada governa il trasporto longitudinale, mentre i meccanismi di scambio di massa nella direzione verticale non sono ancora compresi appieno. La seconda parte della tesi analizza questi processi di scambio tramite esperimenti in galleria del vento che simulano la dispersione di inquinanti in un canyon orientato perpendicolarmente rispetto alla direzione del vento. In questa configurazione, lo scambio verticale è l’unico meccanismo di ventilazione del canyon. Negli esperimenti, le condizioni del canyon vengono modificate riscaldando alternativamente le pareti laterali, cambiando il rapporto altezza / larghezza del canyon e introducendo elementi di rugosità sulle pareti. Inoltre, due file di modellini di alberi sono disposte lungo il canyon per simulare la presenza di vegetazione urbana. All’interno del canyon vengono effettuate misure di velocità e di concentrazione. Infine, viene stimata una velocità caratteristica di scambio tra la strada e l’atmosfera sovrastante per quantificare la ventilazione complessiva del canyon nelle diverse configurazioni. I risultati mostrano che l’efficienza dello scambio verticale tra il canyon e il flusso esterno è determinata principalmente dall’energia cinetica turbolenta all’interno del canyon..[...]