Études thermiques urbaines à différentes échelles par éléments finis

Urban thermal studies at different scales using finite element method

• Auteur / Autrice : Nicolas Duport
• Direction : Benoit Beckers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/10/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour l'ingénieur appliquées en mécanique et génie électrique (SIAME EA 4581) - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement thermique

Constructions -- Propriétés thermiques

Mots clés libres

Physique urbaine

Méthode des éléments finis

Rayonnement thermique

Inertie thermique

Urban physics

Finite element method

Thermal radiation

Thermal inertia

Física urbana

Método de los elementos finitos

Radiación térmica

Inercia térmica

Résumé

Le confort thermique des piétons, l’îlot de chaleur urbain et les consommations énergétiques des bâtiments constituent les trois grands problèmes thermiques de la physique urbaine. Ils sont fortement couplés et dépendent des interactions entre les bâtiments : vent, ombrage, réflexions multiples, émission infrarouge. Leur étude nécessite de développer des outils capables de quantifier précisément ces interactions en lien étroit avec la géométrie de la scène.Dans cette thèse, l’accent est porté sur les aspects conductifs et radiatifs. Les simulations sont réalisées avec le solveur éléments finis Cast3M. Le cadre proposé permet d’aborder différentes échelles (chambre, bâtiment, rue, quartier). Les principaux apports concernent : l’utilisation de maillages structurés (hexaèdres et prismes), la prise en compte des transmissions directes et des réflexions spéculaires grâce aux facteurs de vue étendus, la représentation graphique des résultats. Les quantités d’intérêt sont la température de l’air intérieur des bâtiments (confort de l’habitant) et la température moyenne radiante (confort du piéton).Dans le chapitre traitant de la méthode, des géométries de complexité croissante permettent d’introduire les fonctions de prétraitement et de post-traitement : la construction du maillage, le calcul des conditions aux limites convectives et radiatives, ainsi que les différentes formes de représentation des résultats.La première application présente l’étude d’une rue de Bayonne. Elle permet de comparer la méthode à une campagne de mesures (thermographies simulées et mesurées). Une discussion est menée sur la position de l’isolant (intérieure ou extérieure). L’isolation par l’extérieur permet de réduire les ponts thermiques, mais augmente l’inconfort des piétons.La seconde application est réalisée à l’échelle du quartier et traite principalement de l’inertie thermique. Elle souligne l’importance de sa distribution en relation avec le rayonnement solaire.Cette thèse montre que la méthode des éléments finis permet d’appréhender les différents problèmes thermiques de la physique urbaine et conduit à une analyse fine des quantités d’intérêt.

Thermal comfort of pedestrians, the urban heat island and energy consumption of buildings are the three major thermal problems of urban physics. They are strongly coupled and depend on building interactions : wind, shading, multiple reflections, infrared emission. Their study requires the development of tools capable of quantifying precisely these interactions in close connection with the geometry of the scene.This thesis focuses on the conductive and radiative aspects. The simulations are performed with the finite element solver Cast3M. The proposed framework allows to address different scales (room, building, street, neighbourhood). The main contributions concern : the use of structured meshes (hexahedrons and prisms), the consideration of direct transmissions and specular reflections thanks to the extended view factors, the graphical representation of the results. The quantities of interest are the indoor air temperature of buildings (inhabitant comfort) and the mean radiant temperature (pedestrian comfort).In the chapter dealing with the method, geometries of increasing complexity are used to introduce the pre- and post-processing functions: the construction of the mesh, the calculation of the convective and radiative boundary conditions, as well as the different forms of representation of the results.The first application presents the study of a street in Bayonne. It allows to compare the method with a measurement campaign (simulated and measured thermograms). A discussion is held on the position of the insulation (inside or outside). The outside insulation reduces thermal bridges, but increases the discomfort of pedestrians.The second application is carried out at the neighbourhood level and deals mainly with thermal inertia. It underlines the importance of its distribution in relation to solar radiation.This thesis shows that the finite element method allows to better understand the different thermal problems of urban physics and leads to a fine analysis of the quantities of interest.

El confort térmico de los peatones, la isla de calor y el consumo energético de los edificios constituyen los tres grandes problemas térmicos de la física urbana. Están fuertemente vinculados y dependen de las interacciones entre edificios: viento, sombras, reflejos múltiples, emisión de infrarrojos. Su estudio requiere el desarrollo de herramientas capaces de cuantificar con precisión estas interacciones en estrecha conexión con la geometría de la escena.Esta tesis se enfoca en los aspectos conductivos y radiativos. Las simulaciones se llevan a cabo con el programa de elementos finitos Cast3M. El marco propuesto permite abordar diferentes escalas (habitación, edificio, calle, barrio). Las principales contribuciones conciernen : el uso de mallados estructurados (hexaedros y prismas), la toma en cuenta de transmisiones directas y reflexiones especulares gracias a los factores de vista extendidos, la representación gráfica de los resultados. Las magnitudes de interés son la temperatura del aire en el interior de los edificios (confort del habitante) y la temperatura media radiante (confort del peatón).En el capítulo que trata del método, unas geometrías de complejidad creciente permiten introducir las funciones de preprocesamiento y posprocesamiento: la construcción del mallado, el cálculo de las condiciones de frontera convectivas y radiativas, así como las diversas formas de representación de los resultados.La primera aplicación presenta el estudio de una calle de Bayona. Permite comparar el método con una campaña de medición (termografías simuladas y medidas). Se lleva a cabo una discusión sobre la posición del aislamiento (interior o exterior). El aislamiento exterior reduce los puentes térmicos, pero aumenta la incomodidad de los peatones.La segunda aplicación se lleva a cabo a nivel de barrio y se ocupa principalmente de la inercia térmica. Destaca la importancia de su distribución en relación a la radiación solar.Esta tesis muestra que el método de los elementos finitos permite entender los diversos problemas térmicos de la física urbana y conduce a un análisis detallado de las cantidades de interés.