Experimental and numerical study of atmospheric turbulence and dispersion in stable conditions and in near field at a complex site

Résumé : Un programme expérimental a été conçu afin d'étudier la dispersion des polluants sur un terrain complexe avec un accent mis sur des conditions stables qui restent délicates pour la modélisation numérique. Ce programme expérimental est mené sur le site du SIRTA dans la banlieue sud de Paris et consiste à mesurer en champ proche la turbulence et la dispersion des polluants. L'objectif de ce programme est de caractériser la structure fine de la turbulence et de la dispersion associée par des mesures à haute résolution temporelle et spatiale. Ensuite, ces mesures permettent de valider et d'améliorer la qualité de simulations CFD pour la turbulence et la dispersion sur un site fortement hétérogène. Le dispositif instrumental comprend 12 anémomètres ultrasoniques mesurant en continu la vitesse du vent et la température à 10 Hz, et 6 détecteurs à photo-ionisation (PID) mesurant la concentration de gaz à 50 Hz pendant des essais de traçage. Plusieurs périodes d’observations intensives (POIs) avec des rejets de gaz ont été réalisées depuis Mars 2012.Tout d'abord, une étude détaillée de l'écoulement du vent sur le site est réalisée, car l’écoulement doit être caractérisé et correctement simulé avant de simuler la dispersion des polluants. Cette étude est basée sur deux ans de mesures en continu et sur les mesures acquises durant les POIs. La forte anisotropie de la turbulence dans la couche de surface est caractérisée à l’aide du calcul des variances, des échelles de longueur intégrales et des spectres des trois composantes de la vitesse du vent. La propagation des structures turbulentes entre les capteurs est caractérisée en utilisant les corrélations de vitesse. Les spectres de vitesse montrent plusieurs pentes dans différentes zones de fréquence. En outre, l’analyse des données montre l’impact de l'hétérogénéité du terrain sur les mesures. La forêt au nord du site expérimental modifie la vitesse et la direction du vent pour un grand secteur nord. Il induit un fort cisaillement de la direction du vent et une décélération en dessous de la hauteur de la forêt. Les simulations numériques sont effectuées avec le code de CFD Code_Saturne en mode RANS avec une fermeture k-ε adaptée pour les écoulements atmosphériques et un modèle de canopée pour la forêt. Ces simulations reproduisent correctement les caractéristiques de l'écoulement moyen sur le site des mesures, en particulier l'impact de la forêt pour les différentes directions du vent et pour la stratification neutre et stable. Les résultats de simulation montrent aussi le cisaillement de direction du vent et l’augmentation de l’énergie cinétique turbulente induits par la forêt. Une étude de sensibilité montre que ces effets sur l'écoulement s’accentuent quand la densité foliaire augmente. L’étude de dispersion est réalisée pour plusieurs POIs. L’analyse des données de concentration montre la cohérence avec les mesures de campagnes précédentes réalisées dans des zones proches de la source. Les fluctuations de concentrations sont caractérisées à travers les séries temporelles, l'histogramme et l'analyse statistique des concentrations. Une zone inertielle peut également être identifiée dans les spectres de concentration. Ensuite, la dispersion des polluants est modélisée par les équations de transport pour la concentration et sa variance. La concentration moyenne est globalement en bon accord avec les mesures pour toutes les POIs étudiées. L’accord avec les mesures sur la position du maximum de concentration dépend de la précision de la rotation du vent simulée en-dessous de la hauteur de la forêt. Les fluctuations de concentration obtenues dans les simulations semblent être affectées de manière significative par la condition initiale et la modélisation du terme de dissipation. Une étude de sensibilité à la paramétrisation est ensuite présentée
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Thèse
Ocean, Atmosphere. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1012〉
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Contributeur : Abes Star <>
Soumis le : mardi 3 janvier 2017 - 11:25:07
Dernière modification le : mardi 6 mars 2018 - 15:55:59
Document(s) archivé(s) le : mardi 4 avril 2017 - 13:06:16

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Xiao Wei. Experimental and numerical study of atmospheric turbulence and dispersion in stable conditions and in near field at a complex site. Ocean, Atmosphere. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1012〉. 〈tel-01425012〉

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