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 : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 29/11/2021
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEREA

Mots clés

Mots clés libres

Vent faible

Méandrement

Milieu bâti

Dispersion

Expérimentation

Modélisation

Low wind

Meandering

Built environment

Dispersion

Experimentation

Modelling

Résumé

En situation de vent faible (correspondant à un vent inférieur à environ 2 m/s à une hauteur de 10 m), les processus habituels de dispersion (transport par le vent moyen et diffusion par la turbulence) sont fortement réduits, et laissent ainsi une place prépondérante à d'autres mécanismes comme le méandrement qui se traduit par une oscillation basse fréquence de la direction du vent. Par ailleurs, ces situations s'accompagnent souvent d'une stratification thermique assez marquée (à dominante stable en vent calme). Les propriétés de la turbulence sont fortement modifiées, à la fois dans la distribution spectrale et dans la décomposition dans les 3 directions de l'espace. La dispersion en vent faible est dominée non plus par une large gamme de tailles de structures turbulentes comme c'est le cas habituellement, mais par seulement quelques grandes structures horizontales. La turbulence prend souvent un caractère intermittent qui, combiné avec le méandrement, peut engendrer des variations brutales de la concentration de polluants en un point donné. Toutes ces modifications rendent plus complexe la modélisation à la fois de l'écoulement et de la dispersion de polluants. Enfin, le cadre théorique généralement utilisé pour modéliser la couche de surface atmosphérique (théorie de similitude de Monin-Obukhov), déjà mis en difficulté dans les cas de forte stratification thermique, n'est plus valide aux très faibles vitesses. Des adaptations des modèles de dispersion aux vents faibles ont été proposées dans la littérature, notamment pour les modèles lagrangiens, pour lesquels il est nécessaire de prendre en compte le comportement particulier de la fonction d'autocorrélation des composantes de la vitesse. Des adaptations méthodologiques ont également été proposées dans l'application d'un modèle de CFD, consistant à combiner plusieurs simulations stationnaires pour prendre en compte la variabilité de la direction du vent. L'amélioration de la compréhension et de la modélisation des situations de vent faible se heurte aux difficultés de caractérisation expérimentale. En effet ces situations ne peuvent pas être reproduites en soufflerie en raison des difficultés liées à la sensibilité à de faibles perturbations, au maintien d'une stratification thermique, et au respect des règles de similitude. D'autre part, au plan international, peu de campagnes de mesures sur site ont été réalisées pour ce type de conditions, notamment en milieu bâti pour lequel les jeux de données existants ne permettent de couvrir que partiellement les situations de vent faible et stratifications thermiques associées. Partageant ce constat, l'IRSN et EDF ont décidé d'engager le montage d'un partenariat visant à organiser, réaliser et analyser des campagnes de mesures conjointes de vent, turbulence et de dispersion d'un traceur passif (hélium) en présence de bâtiments, avec un focus particulier sur les situations météorologiques de vent faible. L'objectif est de couvrir à la fois les cas de stratification stable et les cas convectifs. Le choix du site s'est porté sur le SIRTA (Site Instrumental de Recherches par Télédétection Atmosphérique, observatoire atmosphérique de l'Institut Pierre Simon Laplace, installé sur le campus de l'Ecole polytechnique à Palaiseau), en raison notamment de l'instrumentation déjà installée, et de l'expérience de modélisation déjà acquise sur ce site par EDF-R&D.

In light wind conditions (corresponding to a wind speed below 2 m/s at a height of 10 m), the usual dispersion processes (transport by the average wind and diffusion by turbulence) are weak, and thus leave a preponderant place to other mechanisms such as meandering which results from a low frequency oscillation of the direction of the wind. In addition, these situations are often accompanied by a fairly marked thermal stratification (predominantly stable in calm winds). The properties of turbulence are strongly modified, both in the spectral distribution and in the decomposition in the 3 directions of space. The light wind dispersion is no longer dominated by a wide range of turbulent structure sizes as is usually the case, but by only a few large horizontal structures. Turbulence often takes on an intermittent character which, combined with meandering, can cause sudden variations in the concentration of pollutants at a given point. All of these changes make modeling the flow and the dispersion of pollutants more complex. Finally, the theoretical framework generally used to model the atmospheric surface layer (Monin-Obukhov similarity theory), already challenged in cases of high thermal stratification, is no longer valid at very low speeds. Adaptations of dispersion models to light winds have been proposed in the literature, in particular for Lagrangian models, for which it is necessary to take into account the particular behavior of the autocorrelation function of the speed components. Methodological adaptations have also been proposed in the application of a CFD model, consisting in combining several stationary simulations to take into account the variability of the wind direction. Improving the understanding and modeling of light wind situations comes up against the difficulties of experimental characterization. These situations cannot be reproduced in a wind tunnel because of the difficulties associated with sensitivity to low disturbances, maintaining thermal stratification, and respecting the rules of similarity. On the other hand, at the international level, few on-site measurement campaigns have been carried out for this type of conditions, especially in built environments for which the existing data sets only partially cover low wind and associated thermal stratification situations. Sharing this observation, IRSN and EDF have decided to initiate a partnership aimed at organize, carry out and analyze joint measurement campaigns for wind, turbulence and dispersion of a passive tracer (helium) in the presence of buildings, with a particular focus on light wind weather situations. The aim is to cover both cases of stable stratification and convective cases. The choice of the site fell on the SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique, atmospheric observatory of the Pierre Simon Laplace Institute, installed on the campus of the Ecole Polytechnique in Palaiseau), in particular because of the instrumentation already installed, and the modeling experience already acquired on this site by EDF R&D.