Modélisation numérique de la turbulence et de la dispersion atmosphérique par faibles vents en milieu urbain

Numerical modeling of turbulence and atmospheric dispersion in low wind-speed conditions and urban environments.

• Auteur / Autrice : Boulos Alam
• Direction : Amer Chpoun, Amir-Ali Feiz, Pierre Ngae
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et d'Energétique de l'université d'Evry (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Tenaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sharan Maithili, Abdellah Hadjadj, Boris Conan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sharan Maithili, Abdellah Hadjadj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants

Vents -- Vitesse

Microclimat urbain

Diffusion atmosphérique

Modélisation CFD

Turbulence atmosphérique

Mots clés libres

Modèles de turbulence anisotropes

Modèle CFD Code_Saturne

Milieu urbain

Dispersion atmosphérique

Modèle URANS

Vents faibles

Anisotropic turbulence models

CFD model Code_Saturne

Urban environment

Atmospheric dispersion

URANS model

Low winds

Résumé

Cette thèse se situe dans le contexte de la modélisation de la dispersion atmosphérique, en particulier en présence de vents faibles. Les sources de pollution atmosphérique, souvent situées près du sol et influencées par des obstacles complexes, engendrent des concentrations élevées de polluants à proximité, ce qui se traduit par des fluctuations significatives de ces concentrations. Les vents faibles, généralement associés à des conditions atmosphériques stables, posent un défi particulier en matière de modélisation de la dispersion des polluants, nécessitant une analyse approfondie des donnéesmétéorologiques et une adaptation des modèles de prédiction. Afin de relever ce défi complexe, l'utilisation de la Dynamique des Fluides Numérique (CFD) est incontournable, même si des recherches supplémentaires sont nécessaires pour valider son efficacité dans le champ proche des sources et en présence de vents faibles. Le logiciel Code_Saturne® (EDF R&D) est sélectionné en raison de sonefficacité avérée dans la simulation de la dispersion de polluants atmosphériques. Cette thèse se décompose en trois phases distinctes : la première phase se concentre sur les fondements de la dispersion atmosphérique, en explorant l'impact de différents paramètres tels que la structure de la couche limite atmosphérique, la turbulence atmosphérique et la stabilité de l'atmosphère. Ces éléments jouent un rôle crucial dans la manière dont les polluants se dispersent dans l'air. La deuxièmephase détaille la méthodologie utilisée dans Code_Saturne pour effectuer les simulations, notamment les modèles de turbulence utilisés et les critères d'évaluation de ces modèles. En plus des modèles isotropes classiques, cette recherche se penche sur l'utilisation de modèles de turbulence anisotropes pour étudier la dispersion dans divers contextes. La troisième phase de la thèse se concentre sur l'évaluation de différents modèles de turbulence et de corrélations vitesse-scalaire à l'aide d'observations effectuées en milieu urbain dans des conditions atmosphériques neutres et stables.Enfin, la dernière phase de la recherche explore les conditions de vent faible et stable, caractérisées généralement par des vitesses de vent inférieures à 2 m/s et des variations aléatoires du vent. Cette phase examine les méandres dans la dispersion des polluants et évalue les limites des modèles analytiques et CFD pour prédire la concentration dans de telles condi- tions. À cet effet, un modèle URANS est développé et évalué. Enfin, une méthode gaussienne segmentée est élaborée pour comparer les résultats aux prédictions CFD et aux observations sur le terrain.

This thesis is situated in the context of atmospheric dispersion modeling, particularly in the presence of low winds. Atmospheric pollution sources, often located near the ground and influenced by complex obstacles, generate high concentrations of pollutants nearby, resulting in significant concentration fluctuations. Low winds, typically associated with stable atmospheric conditions, pose a specific challenge in modeling pollutant dispersion, requiring a thorough analysis of meteorological data and adaptation of prediction models. To address this complex challenge, the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) is necessary, although further research is needed to validate its effectiveness in the near-field and in the presence of low winds. The Code_Saturne® software (EDF R&D) is selected due to its proven efficiency in simulating atmospheric pollutant dispersion. This thesis is divided into three distinct phases : the first phase focuses on the fundamentals of atmospheric dispersion, exploring the impact of various parameters such as the atmospheric boundary layer structure, atmospheric turbulence, and atmospheric stability. These elements play a crucial role in how pollutants disperse in the air. The second phase details the methodology used in Code_Saturne for conducting simulations, including the turbulence models employed and the criteria for evaluating these models. In addition to traditional isotropic models, this research investigates the use of anisotropic turbulence models to study dispersion in various contexts. The third phase of the thesis concentrates on the evaluation of different turbulence models and velocity-scalar correlations using observations conducted in urban environments under neutral and stable atmospheric conditions. Finally, the last phase of the research explores conditions of low and stable winds, typically characterized by wind speeds below 2 m/s and random wind variations. This phase examines the meandering patterns in pollutant dispersion and assesses the limitations of analytical and CFD models in predicting concentration in such conditions. To this end, a URANS model is developed and evaluated. Ultimately, a segmented Gaussian method is devised to compare the results with CFD predictions and field observations.