Détermination des flux turbulents de masse dans le sillage d'un obstacle : application à l'écoulement à l'intérieur de la canopée urbaine

Measurements of scalar transport in the wake of an obstacle. Application at the flow in the interior of the urban canopy

• Auteur / Autrice : Jean-Yves Vinçont
• Direction : Jean-Noël Gence
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 1999
• 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

Polluants

Physique de l'atmosphère

Pollution de l'air

Turbulence

Mots clés libres

Flux de masse turbulents, visualisation laser, modèle de transport scalaire, zone de recirculation

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude des phénomènes de dispersion des polluants de l'air à l'intérieur de la canopée urbaine. Il se situe à l'échelle locale et propose une réponse partielle à l'étude des écoulements et de la dispersion d'un scalaire passif au voisinage d'un obstacle. Une présentation non exhaustive des différents paramètres à l'origine de la pollution de l'air dans les cités met en évidence les types de sources rencontrées, les réactions chimiques éventuelles ainsi que leurs interactions possibles avec les écoulements turbulents de l'atmosphère. Une approche classique est celle à l'échelle méso (régionale) où la ville est considérée dans sa globalité. Une autre approche est celle de la microéchelle (locale), c'est l'échelle de la rue et d'un immeuble par exemple où les sources et les géométries des bâtis sont pris en compte explicitement. L'étude de l'échelle locale permet d'appréhender les mécanismes de base à l'origine de la dispersion et du transport de polluants. C'est l'approche adoptée dans ce travail. L'étude est expérimentale et doit permettre de déterminer entre autre les flux de masse turbulents indispensables pour fixer des conditions limites lors de modélisation à l'échelle méso. L'étude des flux de masse est également nécessaire afin de déterminer des modèles possibles permettant la fermeture des équations d'évolution des quantités moyennes toujours à des fins de modélisations à l'échelle méso. On étudie ainsi expérimentalement un cas physique simplifié : écoulements turbulents stationnaires en moyenne et approche bidimensionnelle (géométriquement et statistiquement pour les variables turbulentes). L'écoulement incident est constitué d'une couche limite turbulente se développant sur plaque plane lisse. L'obstacle est bidimensionnel et de section carrée disposé perpendiculairement à l'écoulement incident. Enfin une source linéique au sol de scalaire passif est placée parallèlement à l'aval de l'obstacle à l'intérieur de la zone de recirculation. Les expériences ont été réalisées dans deux milieux fluides différents, dans un canal hydraulique et dans une soufflerie aérodynamique. Les mesures font appel à des techniques de visualisation et de traitements et analyses d'images. Elles permettent d'obtenir une vue globale des champs cinématiques et de concentration dans un plan. Ainsi les vitesses peuvent être déterminées à l'intérieur d'une zone de recirculation ce que ne permettent pas d'autres techniques classiques comme les anémométries laser à effet Doppler ou les sondes à fils chauds. L'utilisation de ces techniques permet également de coupler les méthodes de mesures de vitesse et de concentration et ainsi de déterminer simultanément dans un champ deux composantes de la vitesse par VIP (vélocimétrie par image de particules) et la concentration par FIL (fluorescence induite par laser) dans l'eau où le scalaire est de la Rhodamine B et par diffusion de Mie dans l'air avec des particules de fumée d'encens. Il est alors possible de mesurer les flux de masse turbulents uic. Une analyse plus fine des flux de masse mesurés fait appel à des mesures conditionnées par les signes des fluctuations de vitesse et de concentration (±u;±v ±c) réparties en huit catégories (octants). Les flux ainsi conditionnés mettent en évidence des transports des fluctuations de concentration par les fluctuations de vitesse dans le sens d'une représentation possible des flux de masse à l'aide de modèles de type gradient. L'application de ce type de modèle confrontés aux résultats expérimentaux de flux fournit des résultats satisfaisants. Enfin des mesures réalisées en champ lointain de l'obstacle (sillage) ont permis de vérifier au niveau cinématique la solution auto-similaire développée par COUNIHAN, HUNT et JACKSON (1974) qui décrit l'évolution du déficit de vitesse moyenne longitudinale dans le sillage. Dans le même esprit et en considérant des hypothèses de sillage lointain il a été cherché s'il existait une solution affine qui décrive l'évolution de la concentration moyenne dans le sillage. Une solution analytique a été déterminée, elle décrit de façon satisfaisante les valeurs de concentration moyenne mesurées dans cette région de l'écoulement.

This work is within the framework of the study of dispersion of passive and reactive pollutants in air in the interior of an urban canopy. It is concerned with the local scale amd proposes a partial response to the comportment of the flow and the dispersion of a passive scalar that is perturbed by the presence of an obstacle. A non-exhaustive presentation of different parameters at the origin of the air pollution in cities provided evidence of the types of sources encountered, the possible chemical reactions as well as their interactions with the turbulent flow of the atmosphere. The urban pollution can be studied at the meso-scale (regional) where the city is considered globally. By contrast, we consider here the micro-scale (local), for example the scale of a street and an apartment building where the sources and the geometries of the buildings are explicitly accounted for. Therefore we can search for the mechanisms that form the basis of the dispersion and transport of pollutants. This study is made up of both experimental and analysis parts, both of which permit describing, among other things, the turbulent mass flux that is indispensible for fixing, for example, the limiting conditions for the modeling of the meso-scale. The study of mass flux is also necessary in order to determined possible models that permit closing the equations describing the evolution of the mean scalar concentration. Such a closure is the basis of most meso-scale models. We have studied a simplified case of stationary turbulent flow that is two-dimensional in the mean (geometrically as well as statistically for the turbulence properties). The incident flow is a turbulent boundary layer that develops on a smooth flat plate. The obstacle is two-dimensional and of square cross-section, placed perpendicular to the incident flow. A line source of the passive scalar at the wall is located parallel to and downstream of the obstacle in the recirculation zone. The experiments were carried out in two fluid media : water (a hydraulic flume) and air (a wind tunnel). The measurements utilized flow visualization and image processing and analysis. They permitted obtaining a full planar field of view of the time varying concentration field. The velocity could be determined in the interior of the recirculation zone which is not possible with other techniques that utilize probes (hot-wires). Coupling the methods of mesuring the velocity (Particle Image Velocime-try/PIV) and the concentration fields (Laser Induced Fluorescenc/LIF in water and Mie Scattering Diffusion/MSD in air) permitted the simultaneous determination of two components of velocity together with the scalar concentration. Thus, we were able to determined the turbulent mass flux, uic. An original conditional analysis of the measured mass flux was carried out based on the signs of the fluctuating velocity components and the fluctuating concentration (±w; ±v; ±c) forming eight categories (octants). This analysis clearly justifies the possibility of modeling the scalar transport with mean gradient models in the recirculation zone. The choice of models is carried out by an order of magnitude analysis of the scalar transport equations. Thus the conditional fluxes provided evidence that the transport of the concentration fluctuations by the velocity fluctuations can be adequately represented by mean gradient type models. The application of these types of models is justified by the present experimental results. Finally, the measurements obtained in the far field of the obstacle (wake) have permitted the verification, at the kinematic level, of the self-similar solution developed by COUNIHAN, HUNT and JACKSON (1974) that describe the evolution of the streamwise mean velocity deficit. In the same spirit and with far wake assumptions, we demonstrated the existence of a self-similar solution that describes the evolution of the mean concentration. The refined solution that was obtained satisfactorily describes the statistics of the measured concentration in this region of the flow.