Caractérisation expérimentale et modélisation de la dispersion atmosphérique en vent faible et en milieu bâti

Experimental characterization and modeling of atmospheric dispersion in built environment with light wind conditions.

• Auteur / Autrice : Hanane Bounouas
• Direction : Yelva Roustan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/02/2025
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Calmet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yelva Roustan, Hervé Delbarre, Sylvain Dupont, Guylaine Canut, Jean-Marc Lacome
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Delbarre, Sylvain Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hélium

Télédétection en sciences de la Terre

Diffusion atmosphérique

Mots clés libres

Vent faible

Méandrement

Milieu bâti

Dispersion

Expérimentation

Modélisation

Low wind

Meandering

Built environment

Dispersion

Experimentation

Modelling

Résumé

La dispersion atmosphérique en conditions de vent faible est souvent mal prise en compte voire négligée dans les études d’impact. Dans de telles conditions, les mécanismes de dispersion subissent des modifications importantes, les propriétés de la turbulence (spectre, anisotropie) sont sensiblement différentes, et le méandrement, caractérisé par des oscillations de basse fréquence à l’échelle sub-meso de la direction du vent, devient souvent prédominant, entraînant une forte variation de la concentration sur une large plage angulaire autour de la source. Le développement de modèles prenant en compte ces processus est d’autant plus difficile que l’on constate un manque de données expérimentales pour ce type de situations, notamment en milieu bâti.La thèse inclut un volet expérimental et un volet modélisation. La partie expérimentale réalisée au SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique, installé sur le campus de l’école Polytechnique à Palaiseau en milieu péri-urbain) comporte deux parties. La première est dédiée à l’analyse statistique de mesures haute fréquence des composantes du vent sur une période de trois ans pour étudier les propriétés du méandrement et son interaction avec la turbulence. La seconde consiste en la réalisation et l’analyse de campagnes de mesures pour acquérir des données expérimentales de dispersion d’un gaz traceur (Hélium) en milieu bâti et en conditions de vent faible. La partie modélisation porte sur la définition et la validation d’une méthodologie de modélisation CFD avec le code open source code_saturne adaptée à ces situations, en s’appuyant sur les cas documentés pendant les campagnes expérimentales, notamment ceux présentant du méandrement. Trois approches de type RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) ou URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) sont étudiées :- une simulation en régime stationnaire intégrant des conditions aux limites constantes ;- une simulation pseudo-instationnaire impliquant une combinaison de cas stationnaires, réalisée avec différentes conditions d'entrée représentatives de la variation temporelle des conditions météorologiques pendant le rejet ;- une simulation en régime instationnaire avec des conditions aux limites variables. Dans le but de valider les différentes approches, des comparaisons entre les résultats de modélisation obtenus et les mesures ont été réalisées, tant pour les variables dynamiques que pour la concentration du traceur.

Atmospheric dispersion in low-wind conditions is frequently underrepresented or even overlooked in impact studies. Under these conditions, the dispersion mechanisms experience significant alterations: turbulence properties (spectrum, anisotropy) change considerably, and meandering characterized by low-frequency oscillations on the sub-mesoscale of wind direction often becomes dominant, leading to a wide range of concentration variations around the source. Developing models that integrate these processes is especially challenging due to the lack of experimental data for such scenarios, particularly in urban environment.This thesis includes both experimental and modeling components. The experimental work, carried out at SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique, situated on the campus of École Polytechnique in Palaiseau, a peri-urban area), has two parts. The first part focuses on a statistical analysis of high-frequency wind component measurements over a three-year period to investigate the characteristics of meandering and its interaction with turbulence. The second part involves conducting and analyzing measurement campaigns to acquire experimental data on the dispersion of a tracer gas (Helium) in built environments under low-wind conditions.The modeling component focuses on defining and validating a CFD modeling methodology using the open-source software Code_Saturne, adapted to these specific conditions, and relies on documented cases from the experimental campaigns, especially those featuring meandering. Three approaches of the RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) or URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) types are examined:- a steady-state simulation with constant boundary conditions;- a pseudo-transient simulation combining multiple steady cases, conducted with different input conditions to capture the temporal variability of meteorological conditions during the release;- a fully transient simulation with variable boundary conditions.To validate these different approaches, comparisons were made between the modeling results and the measurements, covering both dynamic variables and tracer concentration.