Modélisation de la dispersion atmosphérique à l'intérieur de la canopée urbaine

• Auteur / Autrice : Lionel Soulhac
• Direction : Richard Perkins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution atmosphérique

Rénovation urbaine

Modèles mathématiques

Diffusion atmosphérique

Résumé

Afin d'évaluer les conséquences de la pollution atmosphérique sur la santé et l'environnement, les pouvoirs publics ont souvent besoin d'outils de modélisation fine, permettant d'appréhender l'impact d'un aménagement local, de prévoir les niveaux de concentration et d'informer la population. Le problème, posé par la simulation de la dispersion des polluants à l'échelle locale, est de parvenir à étudier beaucoup de scénarios en prenant en compte un très grand nombre de bâtiments complexes. Pour cela, il est souvent indispensable de développer des approches simplifiées, dans lesquelles seuls les phénomènes physiques prépondérants sont représentés. Dans cet esprit, la modélisation de la canopée urbaine s'appuie généralement sur la notion élémentaire de rue-canyon. Si ce sujet a fait l'objet de nombreuses études dans le passé, plusieurs interrogations subsistent encore concernant les phénomènes mis en jeu à l'intérieur d'une rue et les interactions entre plusieurs rues. Les objectifs de cette étude sont de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent l'écoulement et la dispersion dans une rue et d'en proposer une représentation simplifiée à travers des modélisations opérationnelles. Pour cela, nous avons utilisé des techniques de modélisation numérique et expérimentale. L'approche numérique a été basée sur le code de calcul MERCURE (RANS, du type k-є), adapté à la simulation tridimensionnelle des écoulements atmosphériques. L'approche expérimentale a été mise en œuvre dans la soufflerie atmosphérique de l'École Centrale de Lyon. Les techniques de mesures utilisées (LDA, FID) ont permis de décrire avec précision les champs de vitesse et de concentration à l'échelle d'une rue. Afin d'évaluer l'influence de la géométrie de la rue (rapport d'aspect, dissymétrie) sur la dispersion par vent perpendiculaire, nous avons développé un modèle, basé sur une résolution analytique de l'équation d'advection-diffusion dans un écoulement potentiel. Les comparaisons avec les simulations numériques et expérimentales fournissent des résultats encourageants. Pour décrire le cas d'un vent d'orientation quelconque, nous proposons une décomposition de l'écoulement par rapport aux composantes longitudinales et transversales. Cette décomposition s'avère réaliste dans le cas d'une rue infinie, mais elle est mise en défaut pour une rue de longueur finie. Nous avons ensuite étudié et paramétré les échanges de matière au niveau des intersections en fonction de la géométrie des rues et de la direction du vent. Les résultats indiquent une interaction importante entre l'écoulement dans la rue et dans l'intersection. Enfin, nous avons proposé un modèle permettant d'étendre l'approche rue-canyon à la simulation d'un réseau de rues inter-connectées, afin de pouvoir étudier la dispersion des polluants à l'échelle d'un quartier. Une première application du modèle de dispersion dans un réseau de rues a été réalisée pour étudier la pollution dans un quartier de la ville de Lyon. Les comparaisons effectuées avec des mesures de terrain permettent de confirmer le bon comportement du modèle et illustrent les différentes potentialités de cette approche.

There are many practical situations in which it is necessary to evaluate the impact of urban air pollution on health and the environment. Often, this demands rather fine scale modelling of air flow and dispersion, at the scale of the street or the quartier. In such cases it is usually necessary to include the influence of a large number of irregularly-shaped buildings. This requires the development and application of simplified, practical models, which are based on the main underlying physical phenomena. One approach which is commonly used to estimate pollutant concentrations in an isolated street is the street canyon model. Although flow and dispersion in an isolated street have been the subject of many investigations in the past, and several practical models have been proposed for idealised configurations, many questions remain unanswered. The aims of this investigation are therefore to improve our understanding of the fundamental processes which govern flow and dispersion in a single street or a group of streets, and to develop simple, operational models for these situations. The research has been carried out using numerical and experimental techniques. Numerical simulations have been carried out using the three-dimensional atmospheric boundary layer code MERCURE (a RANS model with a k-є closure) and the experiments were performed in the atmospheric wind tunnel at the Ecole Centrale de Lyon. Fluid velocities and gas concentrations were measured using LDA and FID. Initially, we studied the influence of street geometry (aspect ratio, asymmetry) on flow and dispersion within the street, when the wind blows perpendicular to the street. We have developed a model for pollutant concentrations, based on a solution of the advection-diffusion equation in a potential flow. Next we studied the influence of the direction of the wind relative to the axis of the street, and we show that the problem can be decomposed into flow parallel and perpendicular to the street. In the third part of the study we investigated the influence of street geometry and wind direction on flow and dispersion at street intersections; we show that the flow within the streets plays an important role in determining the exchange of material within the intersection. Based on these results, we then develop a model which extends the street canyon concept to a network of connected streets. This makes it possible to study the atmospheric dispersion of pollutants at the scale of the quartier. All the models developed during this work have been compared with the results from numerical simulations and experiments, and the agreement is generally good. As a final test of the models, we have used them to simulate dispersion in part of the 6th arrondissement of Lyon; the calculated concentrations show surprisingly good agreement with concentrations measured by an atmospheric pollution monitor located there.