Memoire Online - Optimisation des méthodes de modélisation de la pollution du trafic automobile

OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE LA POLLUTION DU TRAFIC AUTOMOBILE

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

FACULTE DE GENIE MECANIQUE
DEPARTEMENT DE GENIE MARITIME
OPTION : Dispersion des polluants

Mémoire de Magister
THEME
OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE
LA POLLUTION DU TRAFIC AUTOMOBILE

Mr. Lahouari	ADJLOUT	Pr	USTO-MB	Président
Mme. Amina	SABEUR	MC	USTO-MB	Examinateur
Mr. Mohamed	BOUZIT	MC	USTO-MB	Examinateur
Mr. Abbès	AZZI	Pr	USTO-MB	Promoteur
Mme. Fadéla	NEMDILI	MC	USTO-MB	Co-Promoteur

OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE LA POLLUTION DU TRAFIC AUTOMOBILE

Résumé

L'évaluation du comportement qualitatif et quantitatif de la pollution atmosphérique à l'échelle locale, fait l'objet d'une attention particulière de la part des pouvoirs publics en charge de la gestion et de la surveillance de la qualité de l'air. L'objectif scientifique du projet TRAPOS était l'amélioration d'outils de modélisation utilisés pour la prédiction de la pollution du trafic dans les street-canyons, et avec l'objectif principal de la modélisation de la dispersion. Dans notre travail, on a réalisé des simulations numériques avec le modèle de la turbulence largement utilisé. On a choisi le logiciel ANSYS CFX 11.0 comme un outil CFD. Les applications réalisées sont des street-canyons sans source de pollution, avec un rapport d'aspect « w/h » variable et avec des modifications de la forme des toits. Les mêmes simulations sont réalisées avec une source de pollution, pour étudier l'influence de l'architecture de la rue sur l'écoulement de l'air et la dispersion des polluants dans un street-canyon. Ces simulations sont inspirées par les études réalisées durant le projet TRAPOS. Les résultats montrent qu'avec les street-canyon avec des rapports d'aspect élevés, les polluants se transportent hors de la cavité. On peut dire que cette circulation du vent permet le renouvellement de l'air et la ventilation du street-canyon. Par contre pour des faibles rapports d'aspect, une mauvaise ventilation et une stagnation des polluants sont prévues dans le street-canyon. La géométrie du toit a une forte influence sur la ventilation du street-canyon. Dans le cas des toits inclinés, un faible écoulement a été observé au niveau du street-canyon, ce qui implique une limitation de la recirculation à l'intérieur et un mauvais système de ventilation. Les résultats de la modification des géométries des toits ont un effet non négligeable. Leurs impacts sur la formation des vortex et la dynamique de l'air est plus grande que le rapport d'aspect d'un street-canyon. La comparaison de nos résultats avec les résultats expérimentaux et numériques obtenus par le groupe TRAPOS pendant le projet et par des autres recherches se concordent avec nos résultats, en général.

Mots clé : Pollution, TRAPOS, Modélisation, Street-canyons, Dispersion des Polluants, Simulation numérique, k-å, ANSYS CFX 11.0, Rapport d'aspect, Toits, Vortex.

OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE LA POLLUTION DU TRAFIC AUTOMOBILE

Abstract

Evaluation of the qualitative and quantitative comportment of air pollution on a local scale is the subject of special attention from the authorities in load of management and monitoring object of air quality. The scientific objective of project TRAPOS was improvement of modeling tools used for the prediction of the traffic pollution in street-canyons, and with the main objective of dispersion modeling. In our work, we performed numerical simulations with turbulence model largely used and ANSYS CFX 11.0 as CFD tool. The applications carried out are street-canyons without source of pollution, with a variable aspect ratio "w/h" and with modification of the shape roofs. The similar simulations are carried out with a source of pollution, to study the influence of street architecture on air flow and pollutant dispersion in a street-canyon. These simulations are inspired by the studies carried out during project TRAPOS. The results show that with the street-canyon with high aspect ratios, the pollutants are transported out of the cavity. We can say that this circulation of the wind allows the fresh air and ventilation of the street-canyon. On the other hand for weak aspect ratios, poor ventilation and a stagnation of pollutants are provided in the street-canyon. The geometry of the roof has a strong influence on the ventilation of the street-canyon. In the case of the sloping roofs, a weak flow was observed on the level of the street-canyon, which implies a limitation of recirculation inside and a bad system of ventilation. The results of the modified geometry of the roofs have a considerable effect. Their impact on the formation of vortex and air dynamic is larger than the aspect ratio effect. The comparison between our results and the experimental and numerical results obtained by group TRAPOS during the project and other research are agreed, in general.

Key words: Pollution, TRAPOS, Modeling, street-canyons, pollution dispersion, Numerical Simulation, k-å, ANSYS CFX 11.0, Aspect Ratio, Roofs, Vortex.

La modélisation de la dispersion des polluants atmosphériques est d'un grand intérêt pour la définition de la meilleure stratégie de ventilation dans les street-canyons. Une approche originale est celle de la modélisation, qui conduit à la réalisation d'un modèle de qualité de l'air permettant de déterminer les niveaux de pollution à différentes échelles d'une ville. Un modèle de qualité de l'air peut être un outil d'aide à la décision pour les collectivités locales. Il permet en effet de mesurer la répercussion sur les niveaux de pollution de toute modification apportée au système de ventilation des street-canyons. La modification initialement prévue pourra, selon les résultats du modèle, être effectuée ou au contraire revue pour une amélioration. Des simulations de scénarios type de pollution sont aussi réalisables, affin d'arriver à une meilleure compréhension des phénomènes physiques rencontrés.

La description de l'écoulement et de la dispersion dans l'ensemble d'un quartier, plus modestement dans un street-canyon, s'avèrent extrêmement rares. Pour cet effet, l'UE avait approuvé la création du projet TRAPOS en 1997, dont le but était l'amélioration des outils de la modélisation utilisée pour la prédiction de la dispersion de pollution.

Pour notre part, dans cette étude, on a projeté la lumière sur les travaux effectués dans le cadre du TRAPOS.

Une revue bibliographique a été consacrée, dans sa partie 1 aux notions de pollution atmosphérique, suivie par la structure de la couche limite atmosphérique et les notions de pollution urbaine. La partie 2, nous avons abordé la présentation générale du projet TRAPOS, les différences études effectuées et les outils d'étude de la dispersion des polluants dans les street-canyons. Au chapitre des méthodes d'étude, nous avons expliqué l'utilisation du modèle k-å pour la modélisation de la turbulence ainsi qu'une description détaillée du logiciel de simulation numérique l'ANSYS CFX 11.0. Dans le chapitre suivant, nous avons présenté les résultats de la simulation numérique et leurs discussions, à travers la définition du problème abordé, et, la présentation et l'analyse des résultats. Enfin ce chapitre est clôturé par une étude comparative avec les résultats obtenus dans le cadre du TRAPOS, ce qui a été utile à la validation de notre investigation numérique.

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Etude bibliographique / Partie 1 Chapire1 : Notions de pollution atmosphérique

1. Introduction

Provoquée par le rejet intempestif de substances diverses dans l'atmosphère, la pollution atmosphérique constitue sans aucun doute la plus évidente des dégradations de l'environnement (Fonton. J, 2004).

La pollution atmosphérique est un phénomène très complexe compte tenu de la diversité des polluants susceptibles d'être présents dans l'atmosphère. Les niveaux de pollution au sol dépendent de la nature et des conditions de rejets polluants ainsi que des conditions atmosphériques qui déterminent le transport, la diffusion et les retombées de ces mêmes polluants. Ces phénomènes ont lieu dans la troposphère (la plus basse couche de l'atmosphère).

Des quantités croissantes de gaz et de particules potentiellement nuisibles sont émises dans l'atmosphère et entraînent des dommages à la santé humaine et à l'environnement. Elles endommagent également, à long terme, les ressources nécessaires au développement durable de la planète.

Pour chacun des polluants, les niveaux atteints sont comparés aux références disponibles. Celles-ci peuvent être des valeurs limites qui doivent obligatoirement être respectées, et dont le dépassement implique l'élaboration de plans de réduction visant à diminuer la pollution. Il existe également des valeurs cibles, aussi appelées valeurs guides, qui sont indicatives, ainsi que des seuils d'alerte, seuils d'information, seuils de protection de la santé et seuils de protection de la végétation.

Le danger relatif, présenté par les différents polluants gazeux et particulaires pour la santé, varie avec la concentration de ces polluants dans le temps et dans l'espace, et ainsi les effets sur la santé de ces polluants peuvent varier d'un pays à l'autre. En conséquence, la surveillance continue, soignée et attentive des concentrations est nécessaire avant qu'une estimation inacceptable des effets soit faite. La situation est encore plus compliquée car certaines combinaisons de polluants ont des effets cumulatifs et parfois synergétiques.

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La présence dans l'air de plusieurs polluants est mesurée depuis une trentaine d'années. Les données obtenues au fil des décennies ont guidé les nombreuses interventions des équipes chargées de faire appliquer et même évoluer la réglementation et les courbes de tendances qu'elles ont permis de tracer témoignent des résultats obtenus.

Des améliorations sensibles sont ainsi observables dans le cas des polluants dits «conventionnels» que sont le dioxyde de soufre (SO2), les oxydes d'azote (NOX ), les particules en suspension totales (PST), le monoxyde de carbone (CO) et le plomb.

Pour d'autres polluants toutefois, la situation est plus préoccupante. C'est le cas de l'ozone (O 3), dont les concentrations sont à la hausse et souvent supérieures à la norme. C'est également le cas des particules, au diamètre inférieur à 2,5 microns _(PM2,5), dont on réalise de plus en plus l'effet néfaste qu'elles ont sur la santé.

2. Définition de la pollution atmosphérique

La pollution de l'air ou pollution atmosphérique est un type de pollution défini par une altération de la pureté de l'air, par une ou plusieurs substances ou particules présentes à des concentrations et durant des temps suffisants pour créer un effet toxique ou écotoxique.

On entend par pollution de l'atmosphère, l'émission dans l'atmosphère, de gaz, des fumées ou de particules solides ou liquides, corrosifs, toxiques ou odorantes de nature à incommoder la population, à compromettre la santé ou la sécurité publique ou à nuire aux végétations, la production agricole et aux produits agro-alimentaires, à la conservation des constructions et monuments ou au caractère des sites (Journal Officiel, 1983).

La pollution de l'air est la résultante de multiples facteurs qui caractérisent la civilisation contemporaine : croissance de la consommation d'énergie, développement des industries extractives, métallurgiques et chimiques, de la circulation routière et aérienne, de la navigation maritime, l'incinération des ordures ménagères, des déchets industriels, etc.

3. Principales sources de la pollution

Les principales substances polluant l'atmosphère peuvent se répartir en deux groupes principaux : les gaz et les particules solides (poussières, fumées). On estime que les gaz représentent 90 p. 100 des masses globales de polluants rejetés dans l'air et les particules les 10 p. 100 restants (Arques, 1998).

- émise en quantité dispersée (exemple : pollution émise par les centaines de millions de pots d'échappement)

- locale et émise par une source fixe (ex : cheminée, usine...), ou émise par des sources - mobiles (voitures, épandeurs de pesticides, transport maritime ou aérien, etc.),

L'ensemble de ces sources contribuant à une pollution globale (ex : augmentation de l'effet de serre due au CO2 ).

La pollution de l'air résulte principalement des gaz et particules rejetés dans l'air par les véhicules à moteur, les installations de chauffage, les centrales thermiques et les installations industrielles : dont les dioxydes de carbone, de soufre et d'azote, poussières, particules radioactives, produits chimiques (dont certains engrais et pesticides), etc....

- naturelles (volcanisme, érosion éolienne, émissions naturelles de méthane).

Cette distinction est parfois difficile à établir ; la dégradation anthropique des sols (ex : réchauffement des pergélisol) peut favoriser des émissions de méthane qu'on jugera ou non naturel, de même qu'une aridification anthropique induite par le drainage, le surpâturage, la salinisation et dégradation des sols favorise des envols de poussière qu'il est difficile de différencier des envols naturels à partir des déserts supposés naturels ou originels.

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3.1 Sources naturelles

L'atmosphère renferme, à coté des éléments de base, une quantité variable de substances naturelles provenant de sources très diverses qui, dépassant un seuil, crée une source de pollution :

- Les feux des forêts, des cultures ou des prairies contribuent à des émissions importantes de noyaux de condensation, d'imbrûlés et de gaz.

- Les volcans émettent des gaz comme le dioxyde de soufre et de l'hydrogène sulfureux, et des particules des cendres en grande quantité, dont les nuages peuvent parcourir des distances considérables.

- Les embruns marins sont constitués par des aérosols renferment des cristaux de sels qui peuvent entraîner à une pollution.

- Les végétaux sont à leur tour à l'origine d'une pollution par les pollens, les spores et les champignons.

- L'homme et les animaux rejettent des quantités importantes de dioxyde de carbone et sont à l'origine d'une pollution microbienne.

- L'ozone est formé naturellement à haute altitude à partir de réaction photochimique impliquant l'oxygène de l'air, ainsi une fois transporté dans les zones rurales par le vent, l'ozone se forme en grande quantité lorsque l'insolation est très élevée.

3.2 Sources anthropiques

De plus en plus nombreux, ils rejettent des gaz polluants : gaz carbonique (non toxique mais cause essentielle de l'effet de serre), monoxyde de carbone, oxydes d'azote... jusque dans la haute atmosphère avec les avions et fusées. La plupart des moteurs font appel aux énergies fossiles (pétrole, houille, gaz naturel), à l'origine d'une pollution chronique depuis le début du XX^ème siècle. Près de 25% des gaz à effet de serre sortent des pots d'échappement.

4. Divers polluants atmosphériques

4.1 Monoxyde de carbone (CO)

La cause principale des émissions de CO est le trafic routier lors de la combustion incomplète de carburants et de combustibles des véhicules. Le Monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore, toxique et il participe à la formation d'ozone dans la troposphère libre

4.2 Benzène

Le benzène est un liquide incolore à odeur aromatique caractéristique. Ce composé est l'hydrocarbure aromatique le plus simple et également le plus répandu. Dans des conditions normales, le benzène est inflammable, chimiquement stable et peu soluble dans l'eau. Les sources principales de benzène sont le trafic routier, le chauffage et le stockage et le transvasement (station-service). Le benzène est un gaz très volatil, principalement sous forme gazeuse dans l'air ambiant en raison de sa pression de vapeur élevée. Il fait partie des polluants atmosphériques cancérogènes (leucémie). Aucun seuil en dessous duquel il ne présente pas de danger pour la santé n'a été mis en évidence. A des concentrations élevées, il provoque des effets aigus sur les yeux, les voies respiratoires et le système nerveux central. La fumée de cigarettes contient du benzène et constitue la principale source de benzène à l'intérieur des locaux

4.3 Précurseurs de l'ozone

L'ozone est dit polluant secondaire ; il n'est pas émis directement dans l'air mais résulte d'une réaction photochimique impliquant des précurseurs, des polluants issus de l'automobile, essentiellement les oxydes d'azote. Il est une des causes du smog. L'ozone se développe plus intensément en période de temps chaud et ensoleillé : les concentrations en ozone sont ainsi plus élevées durant la période estivale. A noter que l'on parle ici de l'ozone troposphérique, c'est à dire de l'ozone des basses couches de l'atmosphère, qui est un polluant majeur et provoque notamment des problèmes respiratoires. Au contraire, l'ozone dans la haute atmosphère, formé par des mécanismes différents, donne naissance à la couche d'ozone qui protège des rayonnements ultraviolets

4.4 Oxydes d'azote

Les oxydes d'azote, notés d'une façon générale par le sigle NO_x, regroupent : le monoxyde d'azote (NO), et le dioxyde d'azote (NO2). Les NO_x sont essentiellement produits par l'Homme. Toutes les combustions à haute température et à haute pression : moteurs des automobiles, en particulier les moteurs diesel qui,

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du fait de leur fonctionnement à plus haute pression, émettent 2 à 3 fois plus de NO_x que les moteurs à essence.

4.5 CFC et assimilés

Dès les années 1980, il a été démontré que les chlorofluorocarbones (CFC, dits « fréons ») ont des effets potentiellement négatifs : destruction de la couche d'ozone dans la stratosphère. Ils sont utilisés dans les systèmes de réfrigération et de climatisation pour leur fort pouvoir caloriporteur, ils s'en échappent à l'occasion de fuites des appareils ou sont libérés lors de la destruction des appareils hors d'usage. Ils sont utilisés également comme propulseur dans les bombes aérosols, une partie est libérée à chaque utilisation. Les bombes aérosols utilisent désormais comme gaz de propulsion de l'air comprimé, ou du dioxyde de carbone (CO2).

4.6 Méthane

Le méthane (CH4) est nuisible par sa grande contribution à l'effet de serre. Son potentiel de réchauffement global sur une durée de 100 ans est de 25 fois celui du CO2. Comme le méthane se dégrade assez rapidement dans l'atmosphère, la valeur est encore plus forte sur une durée de 20 ans : 72 fois celui du CO2 .

Les sources sont diverses : Fermentation, Gaz de digestion des animaux d'élevage (ruminants notamment) ; il faut savoir que cette pollution représente 18% du changement climatique, alors que tous les moyens de transport réunis n'en produisent "que" 13,5%), Culture de riz , Gaz naturel.

4.7 Autres gaz

4.7.1 Dioxyde de soufre (SO2 )

C'est l'un des principaux déchets rejetés lors de la combustion d'origine fossile. Ces origines peuvent être anthropiques (chauffage domestique, transports, industrie, métallurgie) mais également naturelles: marécages, océans, volcanisme. Il est un agent irritant du tractus respiratoire. Le dioxyde de soufre est aussi un composant de la formation des pluies acides, nuisibles aux écosystèmes tels que les forêts et les lacs.

4.7.2 Hydrocarbures aromatiques polycycliques

Ce sont un ensemble de composés dont certains sont cancérigènes, émis dans le cadre de la combustion, notamment la combustion domestique, mais également dans les moteurs Diesel.

4.8 Particules solides en suspension dans l'air

Les particules solides en suspension dans l'air sont principalement constituées : de suies (particules cancérigènes riches en carbone), résidus de combustion incomplète (dues aux moteurs Diesel, à l'activité industrielle, au chauffage au bois résidentiel, par exemple). de poussière (provenant de l'érosion des sols ou d'activité volcanique), de particules d'origine biologique (pollen, virus, bactéries, spores, excréments d'acariens). Les pollens peuvent être rendus allergènes par contact avec les polluants oxydants (ozone en particulier) ou suite à un long séjour dans l'air ou exposé aux UV, des procédés industriels, comme le sciage du bois d'oeuvre.

Le poids de ces particules et leur taille, de l'ordre du micromètre à la centaine de micromètres de diamètre, leur permettent de se diffuser au gré des vents, voire pour les nanoparticules de se comporter comme des gaz. Une fois émises, elles peuvent rester en suspension pendant des heures et même des jours ou des mois. Elles peuvent pénétrer profondément dans les poumons et ce d'autant plus que leur taille est réduite (particules fines, plus petites que 2,5 um). Dépendant de leur constitution (mélange comprenant plusieurs éléments), de leur concentration et des durées d'exposition, les particules peuvent causer des allergies, des difficultés respiratoires ou encore des lésions pouvant entraîner des cancers dans certains cas.

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Etude bibliographique / Partie 1 Chapire2 : Structure de la couche limite et notions pollution urbaine

1. Structure de la couche limite atmosphérique

1.1 Basses couches troposphériques

Figure 1. Représentation schématique des basses couches troposphériques et profil
de la vitesse du vent selon les différentes couches troposphériques. H : représente la
hauteur de la couche limite atmosphérique, et z0 la longueur de rugosité. (Modifié
d'après Turbelin (2000)).

La troposphère (couche de l'atmosphère enveloppant la surface de la Terre sur environ 10 km) est constituée de couches dont les propriétés dynamiques et thermodynamiques diffèrent (figure 1). La couche en contact avec la surface est la couche limite atmosphérique (CLA) ; c'est la portion d'atmosphère au voisinage de la surface dans laquelle la présence de cette dernière affecte directement les paramètres météorologiques. C'est dans cet espace, principalement, que l'on va rencontrer le phénomène de turbulence. Au-dessus, dans la troposphère libre,

l'écoulement n'est pas affecté par la surface. Les forces de pression et de Coriolis ont alors tendance à s'équilibrer et l'écoulement peut être approximé par le vent géostrophique pour des systèmes de grande échelle extratropicaux. L'épaisseur de la CLA est très variable selon le type de surface, l'heure, la saison, avec un ordre de grandeur de 500 m à 1500 m. La zone tout près de la surface, où les effets de gradient de pression et la force de Coriolis sont négligeables [De Moor, 1983], est la couche de surface (CLS). La production de turbulence est d'origine dynamique, due au frottement de l'air sur la surface solide, et thermique, liée au transfert de chaleur entre l'air et la surface, ces deux éléments ne se réchauffant/refroidissant pas de la même manière. Plus près encore de la surface, on appelle la couche de canopée la zone comprise entre le sol et la hauteur moyenne des éléments rugueux. Elle est contenue dans la sous-couche rugueuse, où l'écoulement est perturbé par l'interaction des sillages créés par les éléments rugueux plus ou moins hauts. La figure 1 donne une estimation de la hauteur de la sous-couche rugueuse en fonction de la hauteur de la CLA. Le profil de la vitesse du vent est de type logarithmique dans la CLS neutre, sauf à l'approche de la surface. Néanmoins, on définit la longueur de rugosité aérodynamique z0m comme l'altitude à laquelle le module du vent s'annulerait si son profil était encore logarithmique dans la sous-couche rugueuse. Elle dépend du type de surface et varie de _?m pour la mer à plus de 1 m pour les milieux fortement rugueux comme une forêt ou une zone urbaine (Leroyer, 2006).

1.2 Organisation et états de la CLA

1.2.1 Composition de la CLA

La couche de surface, en contact avec le sol, où les flux turbulents de chaleur, de quantités de mouvement son considérés uniformes avec l'altitude, la couche de mélange ou couche d'Eckman et la couche de surface représente environ un dixième de la CLA.

La partie haute de la troposphère est quant à elle non turbulente de par sa stabilité thermique et s'appelle l'atmosphère libre, comme montre la figure 2.

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1.2.2 Transport au sein de la CLA :

C'est le transport qu'occasionnent les vents. Au sein de la CLA, ils sont de l'ordre de 1 à 10 m/s d'altitude pour les composantes horizontales, alors que la composante verticale excède rarement les 1 cm/s.

Du fait du frottement de l'air sur le sol, le profil de vent adopte un caractère logarithmique, plus ou moins perturbé par les processus thermique.

C'est les structures turbulentes, créées mécaniquement ou thermiquement, qui permettent le transport vertical. Leurs tailles varient de quelques millimètres à des structures de 1 km (Fraigneau, 1996).

1.2.3 Stabilité de la couche limite

L'étude classique de la CLA fait ressortir un cycle diurne, présenté sur la figure 2, étroitement lié aux trois états la caractérisant selon le gradient vertical de température potentielle ?è / ?z, où è est la température potentielle :

La température potentielle correspond à la température qu'aurait une masse d'air s'élevant adiabatiquement dans la CLA. Elle permet de ne pas tenir compte de la variation de température occasionnée par le changement de pression lorsqu'une masse d'air s'élève dans l'atmosphère de manière adiabatique.

Le gradient de température potentielle donne l'écart à l'adiabaticité du gradient vertical de température absolue. Ceci permet alors de déterminer l'état thermique dans la quel se trouve la couche limite atmosphérique, (Christelle Philippe, 2004)

- Si ?è / ?z est positif, la CLA est dans un état thermiquement stable conduisant à une turbulence relativement peu développée. En effet, les forces de flottabilité vont s'opposer à toute élévation des masses d'air, les plus chaudes se trouvant à une altitude plus élevée que les plus froides (Christelle Philippe, 2004). De ce fait, les effets thermiques vont contrer le développement des fluctuations turbulentes verticales engendrées par les contraintes de cisaillement du vent. La couche limite stable apparaît peu de temps avant le coucher du soleil avec la diminution du chauffage radiatif et s'épaissit au fil de la nuit lors du refroidissement de la surface. Au-dessus, la disparition de la CLA turbulente au coucher du soleil peut s'expliquer soit par un « effondrement de la CLA », avec une décroissance rapide (environ 1h) de la hauteur de la couche d'entraînement et/ou de l'inversion thermique précédant sa disparition, soit par le remplacement de la CLA par une « couche résiduelle » dans laquelle la turbulence s'atténue (turbulence fossile) en l'absence de mécanisme générateur(Bruno Sportisse, 2007), bien que l'inversion soit encore observable comme sur la figure 3.

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- Si ?è / ?z est négatif, la CLA est instable (figure 4), car les forces de flottabilité vont favoriser le transport vertical en provoquant l'ascension des masses d'air chaudes. Elles génèrent ainsi une turbulence d'origine convective. La turbulence est créée par l'instabilité thermique des particules ainsi engendrée (Christelle Philippe, 2004). Le mélange des masses d'air est très important jusqu'au sommet de la CLA : cette couche est appelée couche convective mélangée (ou couche d'Ekman). Le frottement sur la surface se fait de moins en moins sentir avec l'altitude. La turbulence y est importante, véhiculée par des tourbillons de différentes tailles. Par conséquent, cette couche s'homogénéise, et facilite la dispersion des polluants depuis le lieu de leur émission. Une couche d'entraînement se forme à l'interface entre la couche de mélange et la troposphère libre. A cet endroit les champs moyens tendent vers leur valeur dans l'atmosphère libre stable. (Bruno Sportisse, 2007)

- Si ?è / ?z est nul, la CLA est thermiquement neutre comme montre la figure 5, le profil de température est alors adiabatique. La turbulence atmosphérique est purement mécanique, les effets convectifs étant nuls (Christelle Philippe, 2004). Cet état de la CLA est rare, et se rencontre plutôt lors de la transition entre la CLA instable vers la CLA stable. Cependant, la CLA est « quasi-neutre » (proche de la neutralité) dès que le vent est fort ou lorsque la couverture nuageuse réduit les échanges thermiques. (Bruno Sportisse, 2007)

2. Structure de la couche limite urbaine

Un cas particulier de la CLA est la Couche Limite Urbaine (CLU) qui se développe au-dessus des villes du fait de sa structure particulière (figure 6). En effet la ville se caractérise par une forte hétérogénéité des types de surfaces, des matériaux utilisés, des hauteurs des bâtiments, et par une longueur de rugosité beaucoup plus grande que les zones rurales ou même qu'une forêt homogène. Oke (1976) évoque un principe fondamental pour les recherches en climatologie urbaine qui ont suivi ses travaux ; il distingue la CLU de la Couche de Canopée Urbaine. Cette dernière englobe les éléments urbains rugueux, depuis le sol jusqu'au niveau moyen des toits.

L'échelle des processus existant dans ces deux couches est en effet à séparer ; dans la Couche de Canopée Urbaine, l'écoulement et les échanges d'énergie sont régis par des processus de micro-échelle, et dépendent précisément du lieu et du type de surface. La sous-couche rugueuse de la CLU est particulièrement perturbée. Bien qu'elle existe également pour un sol peu rugueux, son épaisseur devient beaucoup plus conséquente au-dessus d'une ville. Dans certaines conditions, elle pourrait atteindre plusieurs fois la hauteur moyenne des

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bâtiments (Arnfield, 2003). L'épaisseur de la sous-couche rugueuse est en général difficile à déterminer. Elle est souvent considérée proportionnelle à la hauteur de la Couche de Canopée Urbaine (Arnfield, 2003 ; Rotach, 2005), avec un facteur compris entre 2 et 5. Dans cette couche, l'écoulement ne vérifie pas les conditions d'homogénéité horizontale et de stationnarité nécessaires à l'application de la théorie de similitude de Monin-Obukhov (Annexe 1). Au contraire les flux turbulents varient fortement.

Figure 6. Représentation schématique de la couche limite urbaine (CLU) à méso
échelle (a), à l'échelle locale (b) et à micro-échelle (c) (Piringer et al, 2002).

La sous-couche inertielle est la zone située au-dessus de la sous-couche rugueuse et qui s'étend jusqu'au sommet de la couche de surface. C'est uniquement dans cette partie de la couche de surface que les conditions d'application de la théorie de Monin-Obukhov sont réunies. Le problème qui se pose au dessus des villes est que la sous-couche inertielle peut être très réduite voire même inexistante dans certaines conditions (Rotach, 2005). Dans tous les cas, l'altitude de mesure des flux turbulents

au-dessus des villes est donc un paramètre très important, puisqu'il conditionne l'application de la théorie de similitude de Monin-Obukhov.

Pour une zone urbaine, la définition de la longueur de rugosité donnée pour les surfaces naturelles n'est plus valide, car la densité surfacique et la hauteur des éléments rugueux sont plus élevées (figure 7). En effet il faut ajouter une hauteur de déplacement à la longueur de rugosité pour obtenir l'altitude à laquelle le
profil logarithmique du vent moyen s'annulerait si on le prolongeait dans la couche de canopée urbaine.

Si l'on se place à méso-échelle, la présence d'une ville perturbe les caractéristiques de la CLA existant dans le milieu qui l'environne. En particulier, si le vent est suffisamment fort, une couche limite interne se développe à l'endroit du changement brutal de rugosité et de température de la surface. En effet, à la frontière d'une ville, la CLU prend forme et s'épaissit vers le centre de la ville. Une zone de transition se forme également au-dessus, à l'interface entre cette couche et la couche limite rurale. Plusieurs couches internes se succèdent si la ville est composée de quartiers bien délimités ayant une morphologie et des matériaux différents. La CLU forme un panache sous le vent de la ville, alors que près du sol la CLA est à nouveau influencée par la surface rurale. (Sylvie Leroyer, 2006).

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2.2 Influence d'une ville sur l'environnement

L'agglomération urbain se caractérise et se différencié des zones non et faiblement bâties, par :

- La production d'énergie anthropique, quantité d'énergie due au chauffage des habitations, à la circulation automobile, et aux industries. Cette grandeur est étroitement liée à la taille et la densité de la ville, sa fonction et son industrialisation, ainsi qu'à la zone climatique et aux besoins en chauffage.

- La réduction de la vitesse du vent dans les basses couches, en général en raison d'une augmentation de la rugosité de surface causée par les constructions. Ainsi, par exemple, à Londres , qui dispose d'un réseau de stations assez dense en comparaison avec celui des autres villes, sur une période allant de 1961 à1970, la vitesse moyenne du vent est souvent de 20 à 30% plus faible qu'en dehors de la ville (lee, 1984). Néanmoins, lors de condition anticyclonique très stables, la vitesse du vent peut localement être plus élevée en ville qu'à périphérie. Ceci peut s'observer lorsque le vent pénètre dans des rues parallèles au flux de circulation atmosphérique, qui vont donc le canaliser et l'accélérer par effet Venturi. Selon Oke (1978), un gradient de température entre la couche urbaine et la couche rurale suffisamment fort pourrait donner naissance à des brises soufflant de la compagne et convergeant vers le centre ville, de la même manière que sont générées les brises de mer.

- La nette diminution de l'évapotranspiration, due à la réduction de la végétation, ainsi qu'à l'imperméabilisation de la majorité des surfaces. Un bassin urbain répond donc plus vite aux précipitations, et les sorties d'eau par ruissellement y sont plus importantes : le stockage d'eau est moins important qu'à la compagne. Le réseau d'évacuation des eaux usées en soustrait un volume considérable.

- Un important stockage de chaleur en journée en raison des propriétés thermiques des matériaux des constructions. De plus, la verticalité des façades des immeubles augmente les surfaces d'échange de rayonnement par rapport à ce que l'on peut trouver en compagne.

L'importance de ces différents processus est fonction de la saison, des caractéristiques de la surface urbaine et des conditions météorologiques. Ainsi, à

titre d'exemple, on comprendra aisément que la production d'énergie due au chauffage des habitations prédomine en hiver, et que l'évapotranspiration est plus élevée après un épisode pluvieux.

Tous ces facteurs sont responsables de caractéristiques spécifiques sur l'environnement climatique de la ville, dont la manifestation la plus visible est l'îlot de chaleur urbain.(Nicola Ringenbach, 2002)

2.3 Ilot de chaleur urbain

Les îlots de chaleur sont des secteurs urbanisés caractérisés par des températures de l'air ou du sol plus élevées de 5 à 10°C que l'environnement immédiat du point de prise de mesure. La formation, l'intensité et la variabilité spatiotemporelle des îlots de chaleur sont associées à six principaux facteurs, de nature :

- énergétique (rejet de chaleur provenant de la consommation énergétique); - géographique (emplacement de la ville);

- morphologique (densité des bâtiments, concentration et taux de croissance des végétaux);

- structurelle (taille de la ville, rapport de surface minéralisée/végétalisée, occupation du sol).

Depuis une trentaine d'années, la communauté scientifique reconnaît l'existence de trois grandes catégories d'îlot de chaleur: <<urban boundary layer», <<urban canopy layer» et <<ground surface». A l'échelle journalière, les îlots de chaleur de type <<boundary layer» et <<canopy layer», caractérisés par des températures de l'air élevées, sont à leur maximum d'intensité la nuit. Par opposition, les îlots de chaleur de type <<ground surface» ont habituellement une plus forte intensité et une plus grande variation spatiale en cours d'après-midi. Ce type d'îlot se développe sous forme d'archipel (petits îlots de tailles et de formes différentes) et est davantage représentatif des écarts thermiques intra-urbains (Genevieve Lachance, 2006).

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2.4 Caractéristiques temporelles et spatiales

La forme et la taille de l'îlot de chaleur urbain varient dans l'espace et dans le temps, en fonction des conditions météorologiques, et des caractéristiques propres à la ville. L'îlot de chaleur urbain est le plus marqué dans les parties les plus densément bâties, qui correspondent en général au centre ville (figure 8). Le gradient de température le plus fort s'observe généralement à la périphérie de la ville, alors qu'à l'intérieur, les gradients sont plus faibles d'où l'allusion à un îlot dans la terminologie utilisée pour décrire ce phénomène. Notons que la présence de parcs urbains coïncide avec des chutes de température, jouant ainsi un rôle d'îlot de fraîcheur. C'est par exemple le cas du Jardin Botanique à Strasbourg (Fischer, 2001).

Figure 8 : Représentation schématique de l'îlot de chaleur urbain (ICU) en fonction
des quartiers (Morris et Simmonds, 2000)

Comme il a déjà été dit, l'intensité de l'îlot de chaleur urbain est liée à la taille de la ville. Lorsque le vent est très faible est le ciel bien dégagé, il est montré que l'îlot de chaleur urbain maximal est en relation avec l'algorithme (ou une fonction puissance) de la population de la ville (Oke, 1973). Cela signifie que même dans les petites villes, on retrouve une légère augmentation de la température par rapport à la campagne environnante.

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L'îlot de chaleur urbain présente également une extension verticale. Pendant le jour, il peut s'étendre de 600 à 1500 mètres au-dessus de la ville, en raison de l'importance de convection. La nuit en revanche, l'épaisseur de cette couche dépasse rarement 300 mètres en raison d'une stabilité plus importante. Cependant, l'atmosphère au dessus de la ville est loin d'être homogène, et dans la couche limite générée par la ville des deux strates (figure 9) :

La première strate est la canopée urbaine : dans cette couche que de nombreux processus physiques, à l'origine de flux de chaleur sensible ou latente, prennent naissance. La deuxième strate la couche limite urbaine (CLU) : quand cette couche est poussée par le vent à l'extérieur de la ville, elle donne naissance à ce qui est appelé le panache urbain. Elle est alors séparée de la surface par une couche influencée par les caractéristiques de la compagne. En revanche, lorsque le vent est faible, une bulle d'air chaud se forme, entretenue par des cellules convectives d'air chaud ; il s'agit du dôme urbain.

Figure 9 : Structure verticale de l'atmosphère urbaine des vents supérieurs et
inférieurs à 3m/s (Mestayer, Anquetin, 1995)

Les méthodes d'observation des différents paramètres varient selon qu'ils' agisse de la canopée urbaine ou de la couche limite urbaine, et les échelles d'investigation ne sont pas les mêmes :

- Dans la canopée, l'élément de base est le « canyon urbain », limité par la rue, ainsi que par les bâtiments qui la bordent, représentés sous forme de parallélépipèdes (figure 10). Sa géométrie est décrite par le rapport H/W entre la hauteur des bâtiments (H) et la largeur du fond du fond du canyon (W).

- Dans la couche limite urbaine, l'échelle de travail est le quartier ou fragment urbain, qui est juxtaposition de plusieurs canyons de géométrie et d'orientations différentes, présentant néanmoins une certaine homogénéité.

3 Echelles d'études de la pollution

3.1 Echelles spatiales de dispersion des pollutions

Les échelles de temps et d'espace qui caractérisent le phénomène de dispersion des polluants sont multiples. Le temps de vie d'un polluant dépend essentiellement de la rapidité de chimie. Or, les vitesses de réaction sont très variables d'une réaction à une autre. Les échelles spatiales qui peuvent être regroupées en trois catégories : les échelles locales, régionales ou globales (Christelle Philippe, 2004).

3.1.1 Pollution à l'échelle locale : la pollution de proximité

Cette pollution est celle qui existe à proximité des sources (industries, chauffage, trafic). C'est par exemple la pollution urbaine. Elle affecte la santé des populations par son action directe et à court terme, mais exerce également une toxicité à plus long terme pour certaines pathologies. Outre les problèmes de santé, la pollution de proximité peut procurer un gène olfactif important et participer à la

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dégradation du patrimoine bâti par corrosion et salissure. C'est cette pollution locale qui, la première, a fait l'objet d'un suivi aux abords des grandes sites industriels.

3.1.2 Pollution à l'échelle régionale

Elle caractérise des pollutions que l'on observe dans des zones situées à quelques dizaines, voire à plusieurs centaines de kilomètre des sources de pollution. Trois phénomènes sont regroupés sous ce terme, la pollution photochimique (abordée précédemment), les rejets accidentels (par exemple : Tchernobyl) et les pluies acides. Les oxydes d'azote et le souffre par combinaison avec la pluie créent des acides nitriques et sulfurique qui attaque la végétation.

3.1.3 Pollution planétaire

Il s'agit de la diminution de la couche d'ozone stratosphérique et de l'effet de serre. Les rejets dus aux activités humaines tendent à diminuer l'épaisseur la couche d'ozone stratosphérique, qui est nécessaire, à l'inverse de l'ozone de basse altitude (Figure 11). En effet, la couche d'ozone filtre une grande part du rayonnement solaire ultraviolet, ce dernier peut engendrer une augmentation du risque de développer des pathologies telles que des cancers de la peau.

Tout comme l'ozone, l'effet de serre est indispensable à l'équilibre biologique terrestre. Il consiste en un réchauffement de l'atmosphère par des molécules qui ont la propriété de piéger les radiations à grande longueur d'onde émises par la surface du globe.

Sans ce phénomène, la température de l'air serait inferieur de 30°C à sa valeur moyenne actuelle qui est de 15°C. Or, aujourd'hui, l'effet de serre augmente à cause des émissions anthropiques de certains gaz dits « à effet de serre », comme

Orlanski (1975) propose une classification plus fine des échelles, elle est récapitulée dans le tableau 5.1, (Christelle Philippe, 2004).

3.2 Echelle méso

3.2.1 Echelles associées

La dynamique de l'atmosphère est décrite par les équations de Navier-Stokes qui reposent sur des concepts de conservation de masse, de quantité de mouvement et d'énergie. Par une analyse aux ordres de grandeur bâtie sur les échelles caractéristiques du mouvement (échelles spatiales horizontale et verticale, échelle temporelle), le système d'équations est modifié conduisant ainsi à des méthodes de résolution différentes en fonction des échelles étudiées.

Afin de rendre compte de la forte instationnarité des mouvements atmosphériques à l'échelle d'une agglomération ou d'un massif montagneux (échelle spatiale horizontale de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres) et notamment l'importance de la représentation des effets convectifs liés au cycle diurne (alternance jour - nuit) qui agissent sur la variation de l'accélération verticale tout particulièrement en zone de relief marqué, la formulation non hydrostatique des équations de la dynamique de l'atmosphère s'impose.

Pour l'atmosphère urbaine, la gamme d'échelles se situe entre celles associées à un quartier (quelques , inférieur à 100m), jusqu'à celles d'une

agglomération (de l'ordre de quelques centaines de mètres). On s'attache par ailleurs à reproduire le cycle diurne complet afin de mettre en évidence le caractère fortement instationnaire de ces écoulements et de la réactivité associée.

3.2.2 Elément de dynamique de l'atmosphère urbaine

L'évaluation de la pollution induite par une zone urbaine impose la prise en considération d'un domaine d'échelles très étendues, depuis la méso-échelle (méso

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â, L= 200 km, T= quelques heures à un jour) jusqu'à l'échelle moléculaire des réactions chimiques, en passant par les échelles intermédiaires associées aux mouvements turbulents responsables des mélanges et de la dilution.

Au-dessus d'un sol homogène et plat, la couche de surface est définie comme étant la couche de quelques dizaines mètres à une centaine de mètres d'épaisseur où la force de Coriolis n'influe pas sur la structure de l'écoulement, les champs turbulents sont horizontalement homogènes et leurs distributions verticales dépendent essentiellement des conditions de surface (flux de quantité de mouvement, flux de chaleur). Dans cette couche, les flux de quantités transportés sont indépendants de l'altitude (cette couche est d'ailleurs appelée « couche à flux constant ») et, la répartition des vitesses moyennes suit une loi logarithmique. Au-dessus d'une zone urbaine, cette structure est fortement perturbée par l'hétérogénéité des surfaces conduisant ainsi au développement d'une succession de couches internes qui seraient déclenchées en considérant que le sol urbain serait formé d'une succession de quartiers relativement homogènes définis chacun par une hauteur de rugosité équivalent, une hauteur de déplacement et un flux de chaleur.

Une revue synthétique des différentes approches de la caractérisation du couvert urbain est présentée dans Mestayer and Anquetin (1994), trois échelles distinctes mais fortement imbriquées qui caractérisent la dynamique à l'échelle d'une agglomération : l'échelle de la rue (dont le rapport d'aspect hauteur / largeur conditionne la structure de l'écoulement et les capacités de mélange), l'échelle du quartier (groupe de bâtiments qui a des propriétés aérodynamiques et dispersives homogènes) et celle de l'agglomération. Ces échelles spatiales sont associées à des échelles temporelles propres qu'il convient de prendre en compte dans les modèles numériques.

Figure 12: perturbation des basses couches de l'atmosphère par un site urbanisé en
fonction des conditions météorologiques.

La figure 12 schématise la perturbation des basses couches de l'atmosphère par un site urbanisé en fonction des conditions météorologiques. Par conditions de vents forts (a), la ville sera "vue" comme une succession de sols aérodynamiquement différents qui conditionnent le développement de couches internes. Lorsque le vent est faible (b), on observe un couplage fort entre les effets thermiques et dynamiques. Les interactions entre l'intérieur et l'extérieur de la rue délimiteront l'échelle du quartier à laquelle se met en place un régime de vent analogue aux effets de brise à l'interface mer - terre. La combinaison de l'ensemble des quartiers crée alors au-dessus de l'agglomération un îlot qui délimite les échanges verticaux.

La dynamique de l'atmosphère qui se développe à cette échelle (L= quelques dizaines de mètres, T est de l'ordre de la minute) a un impact considérable sur la quantité de polluant inhalée par le piéton ainsi que sur la mouillabilité des surfaces bâties modifiant ainsi le bilan énergétique à ces échelles.

Les résultats de simulation obtenus avec des modèles statistiques (3D, moyenne de Reynolds) montrent que la structure des champs de vitesse et de turbulence dans la rue est un enjeu pour connaître la qualité de l'air respiré par les piétons.

Ces champs résultent de la combinaison de l'advection dynamique induite par le vent et de la convection thermique générée par les différences de température entre les surfaces de la rue (ensoleillement, type de matériau). Cette dynamique dépend donc de la géométrie de la rue et des conditions météorologiques locales (Sini et al, 1996). Les résultats principaux font apparaître l'influence du rapport de forme d'une rue (hauteur / largeur) sur la typologie de l'écoulement induit par le vent. Les seuils de

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transition des différentes configurations sont identifiés en termes de régime d'écoulement, de qualité de ventilation et d'échelle de temps de dispersion.

Figure 13 : régimes d'écoulement en fonction des échelles caractéristiques de la rue
(largeur W, hauteur H).

La figure 13 présente une schématisation des régimes d'écoulement en fonction des échelles caractéristiques de la rue (largeur W, hauteur H). Ces trois régimes aérodynamiques ((a) rugosité isolée (isolated roughness flow), (b) interférence de sillages (wake interference flow), (c) écoulement rasant (skimming flow)) mettent en évidence l'impact du rapport d'aspect de la rue (W/H) sur les échanges verticaux entre l'intérieur et l'extérieur de la rue. L'idée est donc de définir les bornes qui délimitent ces trois régimes afin de pouvoir quantifier les flux verticaux à la seule lecture du plan d'occupation des sols de la ville (Hussain and Lee, 1980).

Etude bibliographique / Partie 2 Chapire1 : Description générale du projet TRAPOS

Chapitre I : Description générale du projet

A la fin de l'année 1997, la Commission Européenne avait approuvé la création d'un nouveau réseau de recherche dans le cadre de la formation des membres de la Commission et la mobilité des chercheurs (TMR). La thématique principale du réseau est l'Optimisation des méthodes de modélisation de la pollution engendrée par le trafic dans les rues, dont l'acronyme est : « TRAPOS ».

La durée du projet du réseau était initialement prévue pour trois années. Suite à deux années de réalisation, une demande d'autorisation a été formulée à la Commission Européenne pour une prolongation de six mois, ce qui fût accordé. Le réseau a donc prévu de finaliser son projet à la fin du mois d'avril 2001, dans le but de contribuer à des réalisations scientifiques dans un domaine de recherche spécifié par la formation des jeunes chercheurs et un travail coopératif. C'est ainsi que le Réseau TRAPOS a été conçu et réalisé pour répondre efficacement à ces deux objectifs (Net.1).

L'Institut National de Recherche Environnementale (NERI) a été désigné pour coordonner les différentes actions du Réseau. Les réseaux établis dans le cadre du programme TMR sont tenus d'employer un certain nombre de jeunes chercheurs pour prendre part aux différentes tâches du réseau (Net.1).

1. Équipes participantes

Les équipes participantes sont aussi nombreuses que diversifiées, et dotés de structures adéquates et d'un personnel qualifié. Elles sont au nombre de dix :

Les principaux axes de recherches de l'équipe sont : la modélisation avec OSPM (Operational Street Pollution Model), l'essai et l'évaluation des résultats, les mesures de terrain (pollution, météorologie), la mesure de la RSP (particules en suspension respirables) pour la détermination de la source et les études de processus) et la coordination du réseau.

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Cette équipe entreprend des mesures en soufflerie sur les canyons urbains, développer des modèles pour examiner les effets des grandes structures turbulentes externes : trafic sur la cavité, le mur et le sol exposé au chauffage sur une plage de nombres de Froude.

Cette équipe est impliquée en soufflerie dans le but d'étudier la dispersion des polluants du trafic dans les rues urbains et leurs intersections, les effets de la géométrie du bâtiment, la turbulence induite et la stratification thermique engendrée par le trafic automobile.

Cet institut développe des algorithmes simples pour des échelles de longueur et de vitesse dans les villes typiquement européenne, ainsi que la modélisation de la dispersion dans un street-canyon en utilisant le modèle lagrangien de particules stochastiques (ALLSTAR).

Cette école s'investit dans la modélisation avec CHENSI et SUBMESO: l'influence de la convection thermique, les turbulences causées par les véhicules, la structure des environs trimestre, et la verrière échanges atmosphère.

Ce centre de recherche se spécialise dans le développement des différents modèles numériques et leurs comparaisons avec les mesures de terrain.

Cette équipe Modélise pour les différentes configurations des rues en mettant
l'accent sur les effets des détails géométriques avec MIMO, la turbulence induite par

un véhicule, les effets thermiques, et les conditions aux limites à la limite supérieure des micro-calculs fournis par le MEMO (modèle à méso-échelle), lagrangien de particules de suivi avec TASCflow.

Ce centre de recherche évalue et développe des ADMS-Urban et des comparaisons avec d'autres modèles. Il poursuit le développement du modèle des procédures formalisées d'évaluation scientifique telle qu'elle est appliquée aux modèles de dispersion en milieu urbain.

- Netherlands Organization for Applied Scientific Research (TNO), The Netherlands Cette équipe de recherche s'implique dans l'application des modèles actuels dans les études de la qualité de l'air, l'évaluation des modèles TNO, l'analyse comparative avec d'autres modèles, l'amélioration de la modélisation de la dispersion de la pollution due au trafic routier, l'extension de l'applicabilité des modèles de la voiture actuelle, la collecte de données par une recherche bibliographique, portant sur des expériences de terrain et des expériences en soufflerie, et enfin les expériences numériques par les modèles CFD.

Les activités sont aussi nombreuses que diversifiées, dont les activités principales se basent sur l'évaluation d'une échelle complexe micro-modèle météorologique pour les applications urbaines, le développement et l'application des concepts de validation des modèles de dispersion en milieu urbain et enfin la collecte des données pour valider des modèles urbains dans une soufflerie.

Les équipes du Réseau représentent des universités, organismes de recherche publics et des sociétés de conseil commercial. Leur domaine de recherche porte sur les différents aspects de la modélisation de la pollution atmosphérique, tels que: la modélisation par la soufflerie en laboratoire, les mesures de terrain, la dynamique des fluides et les applications de régulation de modèles. Le caractère interdisciplinaire et de collaboration entre les équipes représentant les différents domaines d'expérience et de méthodes de travail, ce qui permet d'assurer une utilisation efficace des résultats scientifiques et leurs concrétisations (Net 1).

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2. Objectifs

L'objectif scientifique de TRAPOS était l'amélioration des outils de modélisation utilisés pour la prévision de la pollution du trafic routier dans les artères urbaines, et avec l'âtre principal sur la modélisation de la dispersion. La modélisation de la pollution du trafic est une discipline très large. Pour restreindre la portée des travaux au sein du réseau, certains domaines de recherche principaux ont été identifiés, et ont évolué comme suit:

- Les turbulences crée par le trafic (TPT) et de leurs influences sur la dispersion des polluants dans la rue.

- L'influence des effets thermiques (TE) sur la modification du flux de gaz dans les rues urbaines, en particulier dans des conditions de faible vitesse du vent.

- La sensibilité de l'écoulement et les caractéristiques de la turbulence par rapport à l'architecture de la rue et de ses environs.

- Des procédés chimiques rapides avec une attention particulière à la conversion NO-NO ₂ .

- De la dispersion et de la transformation en matière des particules en suspension respirables (RSP).

Le projet n'aborde pas directement le problème de l'inventaire des émissions engendrée par le trafic automobile, mais, plutôt, utilise les données disponibles. - de systématiser et d'améliorer les paramètres des modèles d'ingénierie de la pollution dans les rues avec une attention particulière à leur capacité à révéler la dépendance des niveaux de pollution sur l'architecture des rues et des conditions météorologiques,

- améliorer la prévision des concentrations de polluants dans le cas des conditions de vent calme, qui sont connus pour entraîner des épisodes de pollution les plus sévères,

- d'améliorer / développer de nouvelles méthodes d'estimation de la toiture au niveau des caractéristiques d'écoulement du vent à partir d'observations météorologiques standards disponibles et en tenant compte des conditions spécifiques climatologiques et géographiques des villes européennes,

- d'améliorer les méthodes de calcul pour la formation de NO2 dans les rues urbains, y compris l'oxydation de l'ozone,

- développer des méthodes pratiques de calcul des concentrations RSP dans les rues. Le projet devrait contribuer à l'harmonisation et l'optimisation des méthodes de modélisation utilisés à l'intérieur de la Communauté européenne et également de fournir des orientations pour les futurs travaux de modélisation. Les activités contribuant aux objectifs de recherche étaient basés sur :

Les mesures de terrain et les données de la soufflerie ont été utilisées pour l'évaluation et l'amélioration des modèles mathématiques. Des modèles en soufflerie ont également été testés par rapport aux données à partir de mesures sur le terrain. Les résultats de plusieurs modèles numériques CFD ont été utilisés pour améliorer les paramètres des simples modèles semi-empiriques.

Les résultats scientifiques du projet TRAPOS ont souvent fait l'objet de nombreuses communications présentées lors de plusieurs congrès et grandes conférences dont le thème est dédié à la pollution de l'air. Ces résultats sont également publiés dans des revues de renommée établie. En Mars 2001, la troisième conférence internationale sur la qualité de l'air en milieu urbain a eu lieu à Loutraki, en Grèce. Cette conférence a coïncidé avec la finalisation du projet TRAPOS, ce qui a permis une excellente opportunité de présenter les résultats du réseau au profit d'une large communauté scientifique (Net 1).

3. Thèmes et axes de recherches

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Le transport automobile est devenu maintenant une partie inhérente de notre civilisation, et comme cela s'est produit avec de nombreux progrès technologiques, les aspects négatifs s'amplifient de plus en plus prononcés. La pollution atmosphérique provenant des gaz d'échappement des véhicules, est une des conséquences néfastes sur la qualité de l'air et de l'environnement dans lequel nous vivons.

Une part importante de cette pollution provient du trafic automobile se trouvent dans les zones urbaines. C'est à ce niveau là que la densité du trafic est la plus importante et les concentrations de gaz d'échappement des voitures atteignent souvent des ordres de grandeur plus élevés que dans les zones rurales. Les zones urbaines ne peuvent pas toujours être considérées comme des entités homogènes, car plus les niveaux de pollution se produisent dans les street-canyons urbains et plus la dilution des gaz d'échappement des voitures est considérablement limitée par la présence de bâtiments d'accompagnement de la rue (Net 1).

La qualité de l'air en milieu urbain est devenue par conséquence, une préoccupation majeure de la politique environnementale dans les pays développés. En raison de l'utilisation sans cesse croissant des automobiles, il est prévu que les normes de qualité de l'air soient établies, comme par exemple le taux de NO2 , les RSP, ou les hydrocarbures spécifiques. L'introduction de pots catalytiques n'est pas suffisamment efficace dans les zones urbaines où les distances de déplacement sont trop courtes pour réchauffer le convertisseur. En outre, une partie substantielle des polluants proviennent des véhicules lourds, pour lesquels aucune technologie de nettoyage efficace n'est encore disponible. La pollution atmosphérique engendrée par le trafic dans les zones urbaines, et dans les rues urbaines en particulier, est donc devenue actuellement une préoccupation majeure de la politique environnementale (Net 1).

Les sujets de recherche pour une amélioration proposés par le réseau porte sur l'optimisation des méthodes qui sont utilisées pour la modélisation mathématique de cette pollution. La modélisation de la pollution atmosphérique due au trafic dans les rues est un sujet pluridisciplinaire nécessitant une recherche dans des domaines aussi divers que variés, comme les émissions, des bases en mécanique des fluides, des notions de météorologie, de chimie, de mathématiques et des sciences

informatiques. Comme a travail, cette modélisation ne peut se faire sans l'accès à la bonne qualité des données expérimentales, tant à partir de mesures sur le terrain que des expériences de laboratoire. Ainsi, de réels progrès sur ce sujet ne peuvent être atteints que par la coopération entre les spécialistes dans différentes disciplines de recherche, ce qui explique que la structure du réseau européen est très appropriée pour la réalisation des objectifs assignés par le projet TRAPOS (Net 1).

4. Historique du projet TRAPOS

La dispersion de la pollution provenant du trafic dans les rues est régie par une structure complexe de l'écoulement du vent qui peut difficilement être décrit par les modèles traditionnels de Gauss. D'autre part, quelques règles simples peuvent être utilisées pour fournir des estimations approximatives des niveaux de pollution, en particulier en examinant les conditions les plus pessimistes. Les exigences du modèle seront, par conséquent, dépendantes également de l'application particulière et les attentes des informations fournies par le modèle.

Les modèles sont basés sur des descriptions très simples des processus de dispersion, mais se concentrant d'avantage sur les paramètres des émissions dues au trafic, qui représentent des outils utiles pour les planificateurs du trafic. Des études plus détaillées du comportement de la pollution engendrée par le trafic dans les rues urbaines nécessitent des modèles qui peuvent relier les concentrations de pollution réelle et des conditions météorologiques qui prévalent (Net 1).

Une des caractéristiques les plus remarquables de l'écoulement du vent dans une rue de type canyon (street-canyon) est la création d'un tourbillon de vent (vortex), de sorte que la direction du vent au niveau de la rue est l'inverse de la circulation au-dessus du toit. La présence du vortex a été démontrée dans les premiers travaux d'Albert (1933), puis vérifiée par Georgii et al (1967). Cette forme particulière des résultats de la circulation d'air dans les street-canyons dans des gradients de concentration est importante dans la rue. Les concentrations sur le coté du mur exposé au vent (wind-ward) sont généralement plus élevées que sur le coté du mur inverse du vent (lee-ward).

Une description mathématique exacte de la dispersion des polluants dans les street-canyons urbains est pratiquement impossible. Les simplifications nécessaires des «conditions réelles des lieux souvent des restrictions sur la portée d'application

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des modèles. En dépit des difficultés liées à la construction des modèles, la nécessité évidente pour les modèles de rue, de la pollution a donc abouti à l'élaboration et l'utilisation pratique de ces modèles.

Un des premiers modèles de la pollution de la rue est le modèle STREET élaboré par Johnson et al (1973), Ludwig et Dabberdt (1972), Dabberdt et al (1973). Bien que le modèle est empirique, basée sur les mesures de pollution dans les rues de San Jose et Saint-Louis (USA), les caractéristiques les plus essentielles de la dispersion de polluants dans les canyons urbains, tels que le gradient de concentration lee-ward et wind-ward, sont reproduits, au moins qualitativement, par le modèle. Avec quelques modifications mineures (Benesh, 1978; Sobottka et Leisen, 1980), le modèle est encore largement utilisé, notamment pour les applications d'ingénierie. Les caractéristiques plus détaillées de la dispersion de la pollution dans les street-canyons ne peuvent pas cependant être décrite par un tel modèle simplifié comme STREET.

À l'autre extrémité de l'échelle de complexité, se trouvent des modèles basés sur la solution numérique des vents et des équations de dispersion scalaire. Le problème essentiel ici, est un paramètre approprié des coefficients de viscosité et de diffusivité. Le problème est commun pour tous les écoulements turbulents, mais le traitement des écoulements street-canyon implique des limites spécifiques et des conditions initiales. Les méthodes numériques modernes et la disponibilité des ordinateurs puissants ont abouti à l'élaboration de plusieurs modèles au cours des années récentes (Sievers et Zdunkowski, 1986; Moriguchi et Uehara, 1993; Lee et Park, 1994; Schluenzen 1994 ; Kamenetsky et Vieru, 1995). C'est la méthode qui a trouvé la plus large application de la modélisation des écoulements dans les street-canyons, et aussi dans le cas d'autres obstacles est que l'on appelle k-å (Rodi, 1995). Du point de vue de la modélisation de la pollution des rues, le modèle k-å a l'avantage que, au fil des ans, il a été largement testé et calibré pour les écoulements industriels autour des corps et des structures, où la séparation des écoulements peut se produire, ce qui est une importante caractéristique de la circulation dans et autour des street-canyons. Toutefois, les modèles basés sur l'approche k-å sont souvent utilisés dans des études spécialisées (Johnson et Hunter, 1995; Mestayer et Anquetin, 1994).

Une approche innovante de modélisation a été appliquée par Yamartino et Wiegand (1986) dans leur modèle Plume Canyon-Box Model (PCBM). Les concentrations sont calculées en combinant un modèle de panache pour l'impact direct des véhicules polluants émis avec un modèle de boîte qui permet le calcul de l'impact additionnel dû aux polluants remis en circulation dans la rue par le vortex. La performance du PCBM a été démontrée significativement meilleure que celle du modèle empirique STREET, surtout étant donné le large éventail des conditions météorologiques pour lesquelles le modèle STREET n'a pas été spécifiquement conçu.

Une approche empirique a été utilisée dans le développement du modèle néerlandais de pollution du trafic automobile « Dutch traffic pollution model CAR » (Calcul de la pollution atmosphérique due au trafic routier) (Eerens et a!, 1993). Axé principalement sur des expériences en soufflerie (Van den Hout et Baars, 1988; Van den Hout et Duijm, 1988 ; Van den Hout et a!, 1989), une série de relations empiriques a été établi entre la direction du vent et des concentrations pour des différentes configurations de la rue. Les résultats des expériences en soufflerie ont été intégrées dans un modèle type de panache, appelé modèle de trafic TNO (Van den Hout et Baars, 1988) qui a servi de base pour développer enfin le modèle plus opérationnel CAR dans lequel quelques configurations les plus distinguées de rues, à l'égard des conditions de dispersion ont été catégorisés. Seules les concentrations annuelles moyennes sont calculées et d'autres moyens statistiques sont des estimations basées sur des relations empiriques issues de mesures de la pollution dans le réseau national.

Une approche similaire à la PCBM a été appliquée dans le développement du modèle danois OSPM (Hertel et Berkowicz, 1989). Le modèle OSPM fait usage d'un paramètre simplifié des écoulements et des conditions de dispersion dans un street-canyon. Ce paramètre a été déduit d'une analyse approfondie des données expérimentales et des essais sur modèle (Berkowicz et a!, 1995). Les résultats de ces tests ont été utilisés pour améliorer la performance du modèle, notamment en ce qui concerne les différentes configurations de la rue et la variété des conditions météorologiques.

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conditions de vitesse calme ou très faible vent. La dispersion des gaz d'échappement des voitures dans la rue seront dans ce cas être largement influencés par les TPT elle-même. Toutefois, certains effets thermiques, tels que la modification de régimes d'écoulement due à l'échauffement différentiel des murs du bâtiment, peut également être important. Les observations de terrain (Nakamura et Oke, 1988) et de simulations numériques (Mestayer et al, 1995; Sini et al. 1996) ont montré qu'une telle différence de chauffage peut sensiblement modifier l'écoulement du vent dans un canyon. La quantification de cet effet sous la forme de relations entre le rayonnement solaire et l'écoulement du vent est nécessaire afin d'intégrer ces phénomènes dans les modèles de pollution appliqués.

Les modèles de la pollution due au trafic appliquent en général l'utilisation des données liées à l'écoulement du vent au niveau du toit. Ces données sont rarement disponibles et les transformations entreprises des mesures du vent à certains endroits dans la ville ou même en dehors de la ville sont nécessaires. Rotach (1995) a montré que la relation de la vitesse du vent au niveau du toit et la vitesse du vent en altitude dépend des conditions de la stabilité atmosphérique. Cela peut être particulièrement important dans le cas de conditions stables quand la vitesse de ventilation du street-canyon pourrait être réduite due à l'atténuation de la vitesse du niveau du toit et peut-être la turbulence. La modification locale de l'écoulement du vent et la turbulence pourrait aussi être due à certaines formations de bâtiment prononcée à proximité du site de mesure. En se basant sur une modélisation en soufflerie, Kennedy et Kent (1977) ont démontré qu'une diminution double des concentrations de CO observées à un emplacement de la rue à Sydney, en Australie, pourrait s'expliquer par de tels effets.

Les alentours du street-canyon ne peuvent en général avoir une influence significative sur les écoulements et les conditions de dispersion dans le street-canyon lui-même. Les dernières expériences en soufflerie entrepris par Meroney et al (1995) ont montré que la ventilation d'un street-canyon en milieu urbain est moindre que la ventilation du canyon même, mais dans un environnement de campagne. Les formes des toits des bâtiments voisins ont également été montré, pour influencer l'écoulement et les conditions de turbulence, et donc aussi la

distribution de la concentration dans les street- canyons (Rafailidis et Schatzmann, 1995; Kastner-Klein et a!, 1996).

En raison des très courtes distances entre les sources de pollution et les récepteurs (détecteurs de pollution), seul les réactions chimiques peuvent avoir une influence significative dans le processus de transformation de la qualité de l'air du street-canyon, ce qui représente un intérêt particulier dans le processus d'oxydation qui conduit à la transformation NO-NO2. Dans la plupart des cas, ce processus peut être décrit avec succès par le simple système NO-NO2-O3, en tenant compte du temps de séjour des gaz dans la rue (Hertel et Berkowicz 1989; Palmgren et a!, 1995). D'autres mécanismes chimiques cependant peuvent être importants dans certains cas extrêmes. Bower et a! (1994) et Derwent et a! (1995) rapporte sur un épisode de pollution à Londres en Décembre 1991, où les concentrations de NO2 ont atteint des niveaux qui ne pourraient être expliquées par l'oxydation d'ozone mesurée. Un mécanisme de réaction possible est dans ce cas, l'oxydation de NO par l'oxygène moléculaire (Hov et Larssen, 1984). Comme il s'agit d'une réaction de 3ème ordre, elle exige de très fortes concentrations de NO et des temps de séjour long pour être important. Cela peut avoir lieu dans des conditions météorologiques stagnantes lorsque les concentrations restent très élevées pendant une période de quelques jours. Aucun modèle de description satisfaisante de ce phénomène n'est encore disponible.

Dans la plupart des modèles actuellement disponibles, la pollution particulaire est traitée de la même manière que les autres gaz d'échappement, c'est à dire sans prendre explicitement en compte la distribution des tailles des particules (Larssen et a!, 1993). La transformation (en particulier la coagulation) et le dépôt des particules dépendent de la distribution granulométrique des particules. Ces procédés, à leur tour, peuvent considérablement modifier la distribution de la taille initiale des particules émises. De nouvelles techniques de mesure, en particulier les techniques optiques permettant des tailles définies de fractionnement des particules et la résolution de temps, peuvent fournir des nouveaux éléments pour l'étude de la transformation des particules et des processus de dépôt et le développement de nouveaux modèles.

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Les membres des équipes participant au réseau de recherche proposé ont apporté une contribution importante aux progrès dans les domaines de recherche mentionnés et font partie de groupes majeurs en Europe dans leur domaine de travail.

La principale nouveauté du projet proposé est de combiner les différentes techniques de modélisation, appuyés par des données expérimentales. La disponibilité des données expérimentales de haute qualité, y compris à la fois en soufflerie et des mesures de terrain, est maintenant possible pour effectuer des études détaillées des processus importants et, par conséquent, d'améliorer les paramètres de ces processus dans les modèles de la pollution atmosphérique (Schatzmann et al, 1997). En ce qui concerne les mesures de terrain, il est intéressant de noter que les données qui sont actuellement disponibles couvrent la mesure à long terme (plusieurs années), y compris des observations simultanées de paramètres clés, tels que les concentrations des différents polluants (éléments pertinents), la météorologie et les données du trafic. Les mesures à long terme garantissent la possibilité d'explorer la performance du modèle sous une variété de conditions météorologiques, tandis que les mesures en soufflerie donnent l'occasion d'étendre l'évaluation du modèle sur un large éventail de conditions architecturales des rues.

Etude bibliographique / Partie 2 Chapire2 : Différentes études du projet TRAPOS

Chapitre II : Différentes études de TRAPOS

1. Processus qui influe sur la dispersion dans le street-canyon 1.1 Architecture des rues et qualité de l'air

L'écoulement du vent et les caractéristiques de turbulence sont d'une importance capitale dans l'estimation du niveau de pollution dans les rues. En effet, l'écoulement moyen régit le mécanisme de transport des polluants bien que la turbulence influe fortement sur le mélange des polluants et les mécanismes de dispersion. Quand on étudie la dispersion des polluants dans les rues, il est donc essentiel d'évaluer l'influence de la géométrie de la rue sur ces mécanismes. Cela peut se faire soit en effectuant des recherches sur la variabilité des écoulements et la turbulence dans le voisinage immédiat du street-canyon en tenant compte de la géométrie variable de la rue ou, subsidiairement, en évaluant directement l'influence sur les caractéristiques de dispersion due à l'évolution des propriétés du street-canyon. Les deux approches ont été suivies dans le cadre du TRAPOS. La figure 14 montre un street-canyon prototype car il peut être plus simplement décrit par son rapport d'aspect W / H (largeur d'une rue par rapport à l'hauteur du bâtiment) et son orientation par rapport à la direction du vent et la position du soleil (Louka et a!, 2001).

Figure 14: Représentation schématique de la géométrie simple d'un street-canyon
(Louka et a!, 2001).

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1.1.1 Street-Canyon

de la pollution d'un street-canyon, de la turbulence dans la soufflerie ou de modèles numériques (Kastner-Klein, 1999). L'influence de l'approche de la direction d'écoulement par exemple (Kastner-Klein et Plate, 1999), également aux observations à l'échelle réelle peuvent être utile à cet égard, mais généralement une variation systématique des conditions est au-delà des possibilités de l'expérimentateur.

1.1.2 Cavité

Un street-canyon peut être simulé par une cavité. Dans cette configuration, il n'y a pas de « premier effet des capacités», mais le vent ascendant (up-wind) des surfaces urbaines ne peut avoir les caractéristiques d'écoulement d'un modèle de construction irrégulière et rugueux (Kovar - Panskus et a!, 2001).

1.1.3 Rangées de street-canyons

Pour résoudre les problèmes avec le canyon simple, des essais ont été faits pour examiner, à quelle ligne l'écoulement commence à devenir auto-similaire et donc, où la pollution street-canyon ressemble à la situation urbaine typique. Brown et a! (2000) soutiennent que c'est le cas au bout de la 6ème ligne de street- canyon.

1.1.4 Géométrie non uniforme

Les bâtiments entourant immédiatement le street-canyon de l'intérêt n'ont généralement pas une géométrie rectangulaire simple. Rafailidis (1997) a établit un rapport sur l'influence considérable de la forme du toit sur les caractéristiques de la turbulence et des concentrations de polluants au sein, et au-dessus d'un street-canyon. Aussi, l'effet des obstacles en amont avec une hauteur différente de celle du street-canyon lui-même a été étudié en utilisant un modèle numérique (Assimakopoulos et a!, 2000).

1.1.5 Surfaces urbaine réelles

L'approche d'une modélisation plus réaliste pour les street-canyons urbains est certainement réalisée pour imiter la géométrie de la rue avec autant de détails que possible. Cela est correct pour la soufflerie ainsi que les expériences numériques (Chauvet et a!, 1999 et 2000).

1.2 Effets de l'architecture de la rue sur les champs de concentration

1.2.1 Influence du rapport d'aspect

Les expériences de la soufflerie, l'examen d'une cavité bidimensionnel avec cinq rapports d'aspect différent de W / H = 2, 1, 0,7, 0,5 et 0,3 ont été réalisée à l'Université du Surrey pour étudier l'influence du rapport d'aspect sur le système de vortex dans la cavité. Des simulations numériques de ces formations ont été réalisées simultanément avec le modèle de fermeture k-å CHENSI à l'ECN de Nantes. L'accord entre les résultats numériques et les mesures est assez bon, sauf à proximité des murs, où CHENSI sous-estime légèrement la composante de vitesse tangentielle, conduisant à une surestimation de la taille du vortex secondaire. En outre, l'emplacement de vortex principal (supérieure) est toujours situé à 5-15% plus haut et plus proche de la paroi avale dans les prédictions par rapport aux expériences. On peut constater à partir des prévisions CFD dans les figures 15a et 15b que le nombre de zones de recirculation et de leur position varie en fonction du rapport d'aspect. Alors que les street-canyons, avec une exposition plus large du rapport d'aspect d'un seul (primaire) vortex avec éventuellement une contre-rotation faible du vortex près du fond, des street-canyons étroits peuvent donner lieu à la formation d'une structure à vortex multiples. Il est peut être établi à partir de ces données que la transition entre l'ingérence de sillage et l'écrémage des régimes d'écoulement se produit pour un rapport d'aspect plus grand que 2. Toutefois, il convient de noter qu'un système de vortex qui est efficace pour l'évacuation des polluants provenant d'une rue est également efficace pour l'introduction de polluants provenant de sources externes dans cette rue (Kovar - Panskus et a!, 2001).

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Figure 15b: Modulation en fonction de rapport d'aspect (W / H) de la configuration de
l'écoulement dans un 2-D Canyon (expériences WT - 2D cavité),
(Kovar - Panskus et al, 2001).

1.2.2 Influence des effets thermiques

La position relative du soleil est d'une importance capitale dans la détermination du régime d'écoulement dans le street-canyon, en particulier à des vitesses de vent faibles. En effet, le rayonnement solaire est la principale source de chaleur, tandis que la présence d'ombres peut conduire à des écarts de température importants entre les murs. Les effets de flottabilité produit, affectent le système de vortex dans la rue et par conséquent la ventilation de la rue (Kovar - Panskus et al, 2001).

1.2.3 Influence de la direction du vent

L'influence de la direction du vent sur les profils de concentration dans des régions isolées, idéalisées, des street-canyons a été étudié dans la soufflerie à l'Université de Karlsruhe, en Allemagne (Kastner-Klein et Plate, 1999). Une étude expérimentale mise en place et les résultats de deux configurations différentes sont présentés dans la figure 16. Un gaz traceur a été libéré dans la rue à partir d'une source linéaire de référence avec un taux d'émission constant et les concentrations ont été mesurées à trois endroits différents de mur lee-ward du street-canyon. Deux points d'échantillonnage ont été localisés à proximité des bords latéraux des bâtiments et le troisième dans le centre du bâtiment (figure 16). Les valeurs mesurées de la concentration non-dimensionnelle à proximité du sol (z / H = 0,083), sont tracés dans les diagrammes. Le rapport de la longueur du bâtiment à la hauteur du bâtiment L / H a été varié et le graphique de gauche correspond à un cas d'un street-canyon plus long (L / H = 10), tandis que le graphique de droite est celui d'un street-canyon plus courte (L / H = 5).

Pour les directions du vent qui s'écarte que de 15° par rapport à la direction perpendiculaire, les concentrations de polluants sont plus près du bord en aval que dans le centre de la rue, surtout dans le cas d'un street-canyon plus long (L / H = 10). Ces résultats indiquent que l'écoulement le long de l'axe de la rue devient un mécanisme dominant du transport de polluants pour les directions du vent autre que perpendiculaire (Kastner-Klein et al, 2001).

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Figure 16: Evolution de la concentration non-dimensionnelle avec la direction
du vent pour les deux longueurs de construction différents à z = 0.0833H
(Kastner-Klein et al, 2001).

1.2.4 Influence des bords de la construction

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La concentration au milieu de la rue peut être beaucoup plus importante que celle à proximité des bords latéraux des bâtiments. On peut en conclure que le vortex en développement par rapport au renforcement des bords latéraux a une forte influence sur les écoulements et les caractéristiques de dispersion dans les street-canyons. Cette influence s'étend jusqu'à environ trois fois la hauteur du bâtiment à partir du bord latéral vers le centre du street-canyon et qu'il provoque un composant d'écoulement prononcé le long de l'axe de la rue (Kastner-Klein et al, 2001).

1.2.5 Influence des bâtiments environnants :

Les expériences de la soufflerie à l'Université de Karlsruhe, en Allemagne, ont été prolongé par une étude sur l'influence des bâtiments supplémentaires ou près, sur le modèle de concentration dans le street-canyon (Kastner-Klein et Plate, 1999). Les résultats des configurations avec un ou deux bâtiments supplémentaires au montrent où la ventilation de la rue est réduite par rapport à la présence de bâtiments en amont.

L'influence d'un plus grand (+H / 2) ou moins (-H / 2) le renforcement des bâtiments identiques a été étudié à l'Université Aristote de Salonique, avec des simulations numériques effectuées avec le code MIMO (Assimakopoulos et al, 2000). Les concentrations de polluants maximales sont observées sur le mur lee-ward, mais la ventilation de la rue est renforcée par rapport au scénario de référence.

1.2.6 Influence de la forme du toit :

Différentes combinaisons de formes de toits de bâtiments à la fois lee-ward et wind-ward d'un street-canyon rue 2-D isolé, idéalisée ont été étudiés (figure 17).

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Avoir une modification du toit au lee-ward de l'immeuble, change de manière significative le système de vortex dans la rue et conduit à de plus grandes concentrations de polluants sur le mur wind-ward et des concentrations plus faibles sur le mur lee-ward, au moins pour le premier tiers de la hauteur du bâtiment. Comme conséquence de cette modification du système de vortex, les polluants sont stagnés dans la rue. On conclut, que la géométrie du toit a une forte influence sur la ventilation du canyon.

1.2.7 Influence des éléments de rue

La géométrie réelle doit être simplifiée lors de la simulation numérique parce que la puissance des ordinateurs ne permet pas de résolution de grille assez fine pour régler l'écoulement à toutes les échelles. Par conséquent, les bâtiments sont généralement modélisés comme un assemblage de parallélépipèdes, ayant ainsi des toits plats, un pas de structure similaire dans le cas des rues obliques et la construction des surfaces «lisse».

La géométrie de base est celle qui est utilisée dans les modèles numériques et les différents aspects ont été modifiés séparément: le lissage des rues, en prenant les toits de la géométrie en compte, l'introduction de voitures dans la rue, en introduisant des balcons sur les murs et les portes d'entrée. En règle générale, tous les changements géométriques induire des altérations de la turbulence et les sources de friction, ce qui pourrait modifier le débit et les champs de turbulence et, par conséquent, la dispersion des polluants (Kastner-Klein et al, 2001).

2. Modélisation de la turbulence du trafic (TPT)

De toute évidence les structures de la construction urbaine influent fortement sur le transport des polluants à la fois moyen et turbulent. Un vortex de recirculation a été identifié comme caractéristique de la configuration d'écoulement pour les street-canyons plutôt étroite et longue à la direction du vent perpendiculaire à l'axe. Il est bien connu que dans de telles conditions des modèles de dispersion urbaine effectuer assez mal et les concentrations de polluants sont généralement surestimées. Par conséquent, l'influence de TPT sur la dispersion des émissions des

véhicules dans les structures de la construction urbaine a été choisie comme l'un des principaux domaines de recherche du réseau TRAPOS (Net 1).

2.1 Cadre théorique

Un effort substantiel du groupe de travail TPT de TRAPOS s'est investi sur la clarification du lien entre les mouvements de trafic et le transport de polluants dans les street-canyons, en particulier à des conditions de faible vitesse du vent. Le premier objectif a été d'établir un cadre théorique comme arrière-plan des paramètres de TPT. La vérification des formulations TPT est actuellement appliquée et l'identification de leur domaine d'application ont été des sujets d'intérêt particulier. À cet égard, la démarche de travail a été différente de celle de Eskridge et Hunt (1979), qui a établi un cadre théorique pour la turbulence du trafic dans provoque un seul véhicule qui n'est pas directement applicable à décrire l'impact de TPT sur la dispersion dans les street-canyons. Basé sur les principaux mécanismes physiques de mouvements de véhicules dans les street-canyons, un cadre conceptuel a été élaboré pour paramétrer TPT sous diverses conditions de trafic (Di Sabatino et al, 2001). Comme une mesure de TPT, l'écart type des fluctuations de vitesse a été introduit. Pour une application dans les modèles de dispersion opérationnelle, une moyenne spatiale valeur ómt de l'écart type a été choisie comme représentant de l'échelle TPT. En conséquence, les choix appropriés pour le volume en moyenne ont été examinés. L'analyse TPT a été fondée sur la considération de la production de l'équilibre entre la dissipation de l'énergie cinétique turbulente (TKE) généré par un seul véhicule ou par une rangée de véhicules dans un street-canyon. Le paramètre proposé pour est le suivant:

N : Nombre de véhicules produisant la turbulence (sans dimensions). : Coefficient moyen de traînée des véhicules.

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: Echelle de longueur des véhicules (ex. avec A= surface frontal du véhicule ;

: Volume au quelle la moyenne est fait ( ex. la couche du trafic dans la partie plus inférieure ou tout le volume du canyon).

: Echelle de longueur utilisée au modèle de la dissipation de l'énergie cinétique turbulente ; c.-à-d. l'échelle de longueur de dissipation.

Pour une analyse approfondie, trois configurations différentes de trafic : les trafics légers, les trafics intermédiaires et les trafics encombrés, ont été envisagées et la lå échelle de longueur et de volume en moyenne Vt a été spécifiée pour chaque configuration, respectivement.

2.1.1 Trafic léger (pas d'interaction entre les sillages des véhicules)

Le cas de trafic léger correspond à une faible densité du trafic où aucune interaction entre les perturbations de chaque véhicule, n'est prévue. Dans ce cas, la turbulence dans le sillage d'un seul véhicule est considéré (N = 1) et les deux

« , ») peuvent être liées à la longueur d'échelle géométrique du véhicule.

Ainsi, les considérations théoriques sont conceptuellement en accord avec les paramètres du TPT qui a été employé dans le modèle d'OSPM (Hertel et Berkowicz, 1989) et qui correspond à la situation du trafic léger. Ainsi, la vitesse de la variance dans un sillage unique ne peut être exprimée en tant que:

Pour l'application dans les modèles de dispersion, la variance de la vitesse moyenne dans une partie du street-canyon de la longueur L, de la largeur W et la hauteur H du street-canyon. Elle peut être définie en volume moyenne :

Ainsi, des considérations théoriques prévoient qui est conceptuellement en accord avec les paramètres TPT utilisées dans le modèle OSPM (Hertel et Berkowicz, 1989). Cela permet de conclure que les paramètres OSPM de TPT correspondent à la situation de trafic léger.

2.1.2 Trafics intermédiaires (l'interaction entre le sillage des véhicules)

Avec des densités de trafic intermédiaire, une interaction entre le sillage des véhicules peut être attendue. En conséquence, la dérivation de la turbulence dans un sillage unique et sa moyenne ultérieure peuvent être supprimée et on doit immédiatement examiner la variance des fluctuations de vitesse turbulente produit par une rangée de véhicules. En utilisant l'équation 1 et en tenant compte des relations, Vt= Vc = L et et , l'énergie cinétique turbulente moyenne peut être exprimé comme suit :

Pour des densités de trafic intermédiaire, lorsque les véhicules ne sont pas très denses, le coefficient de traînée reste à peu près constant ou des changements se produisent très légèrement. Ainsi, pour une géométrie donnée, d'un street-canyons, le rapport avec 2 changements de densité de trafic

dépendance linéaire de sur a été souligné, Kastner-Klein et al (2001) ont
montré que cette idée de proportionnalité peut être aussi dérivée de PMC (le critère

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de similarité pour l'interaction du vent et des mouvements du trafic dans les street-canyons).

2.1.3 Trafic encombré (forte interaction entre les sillages des véhicules)

Les très grandes densités de trafic caractérisent les cas d'encombrement. Dans ce cas, les véhicules sont si denses que l'échelle de longueur efficace pour la dissipation est la distance entre les véhicules et non plus l'échelle de longueur du sillage et donc:

En conséquence, l'équation 1, en utilisant de nouveau conduit à la formulation suivante pour la variance de vitesse dans la région des street-canyons touchés par TPT

Cette expression prédit que la variance de vitesse devient indépendante du nombre des véhicules, si la densité du trafic est très élevée. Il faut également noter que l'espacement entre les véhicules, la diminution du coefficient , permettra de réduire du fait des véhicules d'hébergement et baissera en conséquence.

2.2 Intégration des paramètres TPT dans les modèles de dispersion

2.2.1 Modèles opérationnels

Actuellement, la modélisation de la dispersion de la pollution des street-canyons est souvent fondée sur l'hypothèse de proportionnalité inverse entre le niveau de concentration de la rue C et la vitesse du vent u mesurée au-dessus du niveau du toit. On fait valoir que, dans bien des cas, les effets de la stabilité hydrostatique et le trafic induit par la turbulence sont d'importance mineure et la ventilation du street-canyons est contrôlée par des moyens mécaniques (vent-induit) ou mouvements d'air turbulents (Schatzmann et al, 2001). Pour les nombres de Reynolds élevés, qui sont typiques pour des conditions du même canopée urbaines avec la vitesse des vents relativement faibles, les paramètres de ventilation et donc également les concentrations des street-canyons s'adaptent à une vitesse de référence du vent prises au dessus du niveau du toit. Employant les émissions spécifiques par unité de longueur E, et une longueur de référence d'échelle L, une concentration sans dimension C* est calculée comme suit:

Ketzel et a! (2000) a examiné les lacunes de cette approche, en particulier pour des conditions de faible vitesse du vent et a conclu que l'amélioration des méthodes de comptabilisation des effets de TPT sont nécessaires afin de parvenir à une meilleure concordance entre les prédictions du modèle et des valeurs de concentration mesurée dans les street-canyons. Kastner-Klein et a! (2001) ont montré qu'une somme des variances de vitesse induite par le vent et les mouvements du trafic permet une échelle de vitesse plus appropriée que la seule vitesse du vent audessus du toit. Il a été supposé dans que les mouvements turbulents liés au vent et le trafic sont mélangés à l'intérieur du canyon et que les écarts de vitesse correspondantes peuvent être prises proportionnellement au carré de la vitesse du vent u et la vitesse de trafic v, respectivement. Cela donne l'expression suivante pour l'échelle de vitesse des mouvements qui en résultent turbulente

Où a et b sont des constantes empiriques sans dimension, et l'échelle de la concentration est sous la forme:

La constante a dépend de la géométrie de la rue et est liée à la forte valeur de la vitesse du vent calculée pour un street-canyon donnée. La constante b associée à la variance de la vitesse de trafic liés

à la dépendance de sur les paramètres de trafic. Ketzel et a! (2001), suivi d'un

concept similaire a présenté le barème résultant de vitesse grâce à la composition
des variances de vitesse due à l'écoulement extérieur et en raison de mouvements
de trafic. Toutefois, un facteur supplémentaire de pondération empirique de la

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contribution TPT, qui dépend de la direction du vent par rapport à l'axe de la rue, a été introduit. Elle sera examinée plus avant à quel point les paramètres proposés ont été vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux d'études en soufflerie et des mesures à grande échelle. Avant cela, un bref résumé des activités TRAPOS concernant l'application des paramètres TPT en codes CFD seront donnés.

2.2.2 Codes CFD

Sini et al (1996) a présenté un modèle numérique qui calcule explicitement le champ d'écoulement dans un street-canyon et le nombre de véhicules qui produisent les turbulences causées par la production des termes supplémentaires dans les équations d'énergie turbulente (TKE) et son taux de dissipation u. La production TKE par les véhicules est prise proportionnellement à la densité du trafic et le carré de la vitesse du trafic par rapport à l'écoulement moyen. Les résultats de la soufflerie et l'étude de modèles numériques en général confirment la validité du critère de similarité PMC défini par le rapport de production de turbulence de trafic qui a été proposée par Plate (1982) pour le régime de la diffusion turbulente dans une street-canyon avec des véhicules en mouvement. Récemment, Trini Castelli (2001) a réalisé une étude avec un accent particulier sur l'application des paramètres TPT général dans les codes CFD. Une combinaison de la théorie de sillage avec la théorie de similitude pour la couche limite atmosphérique a été proposée comme une solution possible pour TPT, y compris dans les modèles CFD. À la suite d'Eskridge et al (1979), il est supposé que l'atmosphère de référence est descriptible par la théorie de similitude sur lequel les perturbations dues aux véhicules en mouvement peut être ajouté.

2.3 Etudes en soufflerie

L'effet de trafic sur l'écoulement moyen, la turbulence et profils de concentration dans les street-canyons a fait l'objet des études en soufflerie par Kastner-Klein (1999). Différentes configurations de trafic ont été simulées par de petites plaques métalliques en mouvement sur deux bandes le long des rues dans la soufflerie avec un street-canyon idéalisée. Pour les deux arrangements du trafic l'intensité de turbulence à l'intérieur du street-canyon, en particulier dans la partie inférieure et à proximité du mur lee-ward, est beaucoup plus élevée que dans le cas sans trafic, mais l'augmentation est plus prononcée avec le trafic bidirectionnel

qu'avec une voie de trafic. Pour les deux situations de trafic, on peut conclure que les composants d'écoulement moyen ne sont pas affectés par les mouvements du trafic, de son côté toutes les composantes de l'énergie cinétique turbulente sont amplifiées dans la région de la couche de trafic (par exemple les valeurs des composantes latérales étaient plus du double que pour le cas sans circulation).

2.4 Echelle réel de mesure

Les données de terrain des influences de trafic sur des composants d'écoulement moyen et turbulent ne sont pas disponibles car il est difficile, dans une expérience de terrain, de séparer TPT d'autres formes de turbulence telles que le vent généré, ou de la turbulence thermique générée. Bien que l'analyse des données soit encore en progression, des informations importantes ont été livrés sur les composants TPT dans un street-canyon. Dans la partie inférieure du street-canyon, des augmentations des niveaux d'énergie cinétique turbulente ont été trouvés, ce qui pourrait être attribuée à la turbulence créée par les mouvements du véhicule. Une corrélation entre les niveaux de la turbulence et le nombre de véhicules a été observée.

2.5 Influence des effets thermiques sur l'écoulement et la dispersion dans les street-canyons

Les effets thermiques dus à l'échauffement des murs du bâtiment par le rayonnement solaire et le chauffage produit par les véhicules sur l'écoulement d'air dans un street-canyon ont été étudié par le TRAPOS qui transforme les résultats en recommandations pour les modèles pratiques,

- Analyse de la température et des mesures de vent des campagnes expérimentales « Nantes '99 » à l'Ecole Centrale de Nantes,

- Expériences en soufflerie à l'Université de Surrey, avec la collaboration de l'Ecole Centrale de Nantes examinant l'effet des différentes faces des murs chauffés windward.

- Modélisation des effets thermiques dus aux différentes faces des murs chauffés wind-ward à l'Ecole Centrale de Nantes en utilisant le code CFD CHENSI,

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- La modélisation des effets thermiques induits par les véhicules. La campagne expérimentale Nantes'99 visant à fournir un aperçu sur les effets thermiques sur le vent et les champs de concentration de CO dans un street-canyon. Lors d'études numériques précédentes (Sini et al, 1996) a suggéré que le plus grand impact des effets thermiques sur l'écoulement d'air se produit lorsque les faces windward sont chauffées. Par conséquent, le présent travail a particulièrement mis l'accent sur cette situation.

3. Site expérimental Nantes '99

La campagne du champ expérimental a été menée au cours du mois de Juin et le début du mois de Juillet 1999 dans un street-canyon dans la ville de Nantes, en France. La rue de Strasbourg (figure 18) est une des trois voies à un seul sens situé dans le centre de Nantes et une des rues les plus encombrées de la ville. L'orientation de l'axe de la rue est d'environ Nord au Sud. Il s'agit d'un street-canyon asymétriques avec son côté Ouest légèrement plus faible (hw = 19.4m) que son côté Est (he = 22,8 M). Le rapport d'aspect est la largeur de la rue, W = 14.85m, sur la hauteur moyenne des bâtiments, H = 21m, est égal à W / H = 0.7 ce qui implique qu'un vortex principal se développe dans la rue quand le vent ambiant est perpendiculaire à son axe (Oke, 1987).

Figure 18: Représentation schématique du site de mesure et instruments concernés
(Vachon et al, 2000).

3.1 Résultats principales du centre

L'analyse de l'air et des températures des murs a montré la présence d'un fort gradient de température dans les premiers cm des murs. Une baisse de température plus grande que 18°C a été observée à 1,5 m du mur du bâtiment chauffé directement par le soleil. Cela a entraîné une forte convection très proche du mur soumis au rayonnement solaire direct, affectant le transport des polluants provenant de la couche ascendante du canyon. La figure 19 illustre bien les variations diurnes de la température du mur en Juin. L'Institut Nord-Sud à l'orientation de l'axe de la rue des résultats dans le chauffage solaire de son côté Quest le matin et progressivement son côté Est dans l'après-midi. Comme le montre la Figure 19, la température maximale de la paroi est des approches de 35 ° C le matin et dépasse 45 ° C dans l'après-midi.

La figure 20 montre la variation typique de la différence de température (ÄT) entre l'air sur les différentes distances x provenant des murs (Tx) et la surface des bâtiments adjacents (Ts), le 22 du mois de Juin à 10H00 (heure locale). La plus importante caractéristique de ce graphique est le développement d'un fort gradient

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de température horizontal très proche du mur. Déjà à 2 cm du mur, la pente est extrêmement élevée (10,7 ° C/2cm 535 ° C / m) et elle est toujours raide dans le premier 20 cm de la paroi (2.7 ° C/20cm 13,5 ° C / m), impliquant l'existence d'une mince couche thermique dûe au chauffage solaire direct de la paroi. A des distances plus éloignée que 20cm de la paroi, ?T est réduite à environ 1,5 C/130cm ° ( 1,2 ° C / m). Par conséquence, la profondeur de la couche limite thermique est d'environ 1,3% de la largeur des rues.

Figure 19: Variations typiques des températures diurnes sur les murs lee-ward et
win-ward (Louka et al, 2009).

Figure 20: Plan horizontal du gradient de température sur les murs
(Louka et al, 2009).

Comme les gradients horizontaux ont été observé pour être raides au sein de 20cm du mur, il est suggéré que les effets thermiques sur la dynamique des street-canyon et, par conséquent, sur la dispersion des polluants des véhicules, ont une petite étendue spatiale et pourraient être importantes localement, à proximité des murs.

Une étude de la visualisation des écoulements a été réalisée en utilisant des ballons gonflés à l'Hélium d'environ 50 cm de diamètre. Pour les directions du vent perpendiculaire à l'axe de la rue, il a été constaté qu'un lâcher des ballons à un niveau de 2m avait tendance à demeurer au sein de 5 mètres du sol, provoquant un va-et-vient des voitures qui passent. Toutefois, ces ballons qui se sont approchés très près de la paroi chauffée, de sorte qu'ils se touchent presque à la surface, augmente de façon constante vers le haut le long de ce mur et dans les niveaux supérieurs du street-canyon (Vachon, 2001).

L'examen quantitatif du champ d'écoulement en utilisant les mesures disponibles a été faite avec une projection bidimensionnelle des vecteurs de vitesse (figure 21). Un vortex principal a été suggéré par les mesures, qui étaient présent

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durant toute la journée pour le vent perpendiculaire à la rue. Toutefois, la mesure de la vitesse du vent ont été emmenés plus loin des murs que les mesures de température et donc la mesure d'écoulement disponible ne peut être utilisé pour tirer des conclusions définitives sur les effets thermiques sur le mouvement de l'air à moins de 1,5 m sur les parois.

Une recirculation accompagnée par un vortex secondaire par rapport au coin inférieur du côté wind-ward du street-canyon a été obtenu pour le cas isotherme en utilisant une application 2-D du code CFD CHENSI. Le chauffage variable de la paroi ouest, l'écoulement et les champs de température ont ensuite été simulée en utilisant les mesures disponibles de température des murs. La simulation a montré que le chauffage de mur wind-ward crée un effet distinctif sur l'écoulement principal, qui se caractérise par deux principaux vortex en rotation et d'un vortex secondaire plus petit sur le côté lee-ward au bas de la rue. La remise en circulation dans le cas isotherme a été supprimée au sommet du canyon, alors qu'un fort courant d'air ascendant étroit sur la paroi chauffée aboutit à un transfert d'air à partir du sol jusqu'au niveau du toit.

La simulation numérique du cas thermique a montré que le code CFD CHENSI surestime l'influence des côtés wind-ward chauffés. La raison possible de cette surestimation est l'application d'une fonction de température de la paroi basée sur des gradients de température normale à la paroi, en liaison avec la taille des cellules de la grille à proximité des murs. En raison des restrictions de la résolution de la grille les conditions aux limites mur sont utilisées en dehors de la couche limite thermique mince observée. Par conséquent, il peut être conclu que la loi de la paroi solide standard ne peut pas être utilisée dans le cadre d'un obstacle, la résolution de modèle de l'atmosphère urbaine, car les couches limites thermiques qui se développent sur les surfaces verticales sont trop minces pour être résolues.

Une condition plus appropriée pour la modélisation de ces écoulements serait la reformulation des conditions de température de la paroi en termes d'écoulement thermique basée sur l'équilibre thermique des murs. Pour cette raison, une autre expérience à Nantes en 2000, a été engagée à entreprendre des recherches sur l'écoulement et à proximité du champ thermique dans la région proche du mur.

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L'analyse de ces données devrait donner un aperçu plus tard loin des effets thermiques sur l'écoulement d'air des murs étroits (Louka et al, 2000).

La simulation a montré que le chauffage des murs wind-ward crée un effet distinctif sur l'écoulement principal, qui se caractérise immédiatement par deux vortex principaux en rotation et d'un vortex secondaire plus petit sur le côté lee-ward au bas de la rue. En raison de limitations de résolution de la grille l'état mur est utilisé en dehors de la mince couche limite thermique observée.

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3.2 Résultats de simulations numériques

Des simulations numériques de la rue de Strasbourg ont été réalisées en 2-D sur la base des résultats expérimentaux. Le résultat a montré que l'écoulement d'air des street-canyons est sensiblement modifié par les murs chauds. Comme un tel effet n'a pas été attesté par les mesures, il est conclu que la condition de température du périphérique de paroi doit être modifiée en CHENSI. En outre, comme l'expérience en soufflerie a également indiqué les effets thermiques devraient toujours être traités en utilisant des simulations 3-D.

3.3 Modélisation des effets thermiques induits par les véhicules :

À l'échelle de la rue, les effets dus à la chaleur libérée par les véhicules pourraient être important, surtout en association avec des faibles conditions de vitesse de trafic et à basse température ambiante. La plupart des modèles de dispersion des polluants considère le TPT d'être purement mécanique; et néglige l'effet de la chaleur à cause du trafic qui pourrait conduire à une surestimation des prévisions du modèle de concentration des polluants. Le résultat important qui ressort de ce calcul simple était que, compte tenu du street-canyon et un écoulement constant du trafic, la chaleur du trafic induite par la turbulence est comparable avec le trafic mécaniquement induite par la turbulence (TPT). Dans le contexte de la modélisation de la concentration des polluants dans les zones urbaines, il est important de prendre en compte l'effet global des sources de chaleur locale. Les modèles de dispersion en milieu urbain liés aux effets thermiques sont basés des méthodes empiriques. Par exemple, la plupart des modèles utilisés en temps réel reconnaissent que le chauffage et la rugosité de la ville vont influencer la longueur de Monin-Obukhov et la hauteur intérieure de la couche limite (IBL). Le modèle opérationnel de dispersion ADMS-Urban (CERC, 1999) représente pour le chauffage urbain en limitant la longueur minimale de Monin Obukhov selon la taille de la ville et le type de zone urbaine (Vachon et al, 2001).

3.4 Recommandations pratiques

Prenant les résultats ci-dessus, les recommandations données pour les modèles pratiques sont les suivants:

- L'échelle réelle et les mesures en soufflerie suggèrent que l'effet global des murs chauffés sur la dynamique d'écoulement du street-canyon est inférieur à celle de simulation numérique 2-D.

- Les effets thermiques peuvent générer une mince couche thermique d'écoulement convective proche à la paroi chauffée. Comme l'écoulement dans les limites des murs porte sur l'air ascendant de la rue, tandis que l'air plus propre est normalement transporté au dessus. Les effets thermiques peuvent être encore importants pour la qualité de l'air au niveau des piétons et pour les transferts de pollution à d'intérieur des Streets-canyons.

- Les murs chauffants affecter les trois composantes du vent prés au mur et, par conséquent, ce sujet doit être traité avec des calculs numériques 3-D.

- Les flux thermiques prés de la paroi chauffée est une question importante de ces études. Dans les calculs numériques, l'utilisation des conditions aux limites de flux de chaleur est certainement plus appropriée que l'utilisation des conditions aux limites de la température. Les résultats de la campagne Nantes'99 avec la nouvelle expérience Nantes`2000 sur la distribution de la température et la vitesse du vent prés du mur sont censés donner de nouvelles contributions à l'amélioration du traitement des effets de paroi chauffée et à la formulation des conditions aux limites du flux thermique dans les codes CFD.

- La chaleur du trafic induisant la turbulence peut être comparable en ampleur à ce trafic en raison des moyens mécaniques qui induisent la turbulence (TPT), en particulier pour les véhicules à basse vitesse, et doit donc être envisagé pour être inclue dans les modèles (Vachon et al, 2001).

4. Dispersion des polluants dans un street-canyon et les modèles de dispersion atmosphérique

CFX-tasc flow et MIMO sont des modèles utilisés pour la dispersion des polluants et la description d'écoulement dans un street-canyon dans le cas de la présence d'une source de pollution. La modélisation des réactions chimiques avec des petites échelles de temps et l'analyse de l'influence des polluants dans un street-canyon ont été également étudiés dans le cadre du TRAPOS avec les objectifs suivants :

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- Développement et mise en oeuvre d'un module pour la modélisation des réactions chimiques avec de petites échelles de temps dans les codes CFD CFX-TASCflow et MIMO.

- Modélisation de la chimie rapide et analyse de l'influence sur les niveaux de polluants dans un street-canyon (Net1).

4.1 Détermination de cas et l'application de CFX-TASCflow

La géométrie du domaine étudié et les conditions aux limites sont illustrées dans la Figure 22. Deux configurations street-canyon ont été utilisés avec un rapport d'aspect H/W=1. A la limite d'entrées, un profil de vitesse horizontale Uref = U (z / ä) á a été appliquée (á = 0,33, Uref = 5 ms -1, ä = 140m). Un taux d'émission uniforme de 1250 ìgm^-1s^-1 pour les NOx avec NO2/NO_x = 10%, a été prise au niveau de la rue. La Figure 23 montre la prévision du rapport NO2/NO_x pour les différents niveaux d'ozone.

Figure 22: Champs de vitesse de deux configurations du street-canyon comme prédit
CFX-TASCflow.

4.2 Détermination de cas et l'application de MIMO

Le cas pour l'application de MIMO a été étudié expérimentalement par Rafailidis et Schatzmann (1995) et Rafailidis (1997). Dans cette expérience, des configurations correspondant à de multiples street-canyons ont été placés dans la soufflerie. Une variété du rapport d'aspect a été placée dans la couche limite. Vingt canyons urbains ont été placés en amont et sept en aval du street-canyon contenant une source linéaire. A partir des cas expérimentaux disponibles, une multiple configuration bidimensionnelle du street-canyon avec des toits plats ont été étudiés (Figure 24). Le domaine de calcul est composé de cinq canyons urbains. Le taux d'émission de NOx a été supposé 1250 ìgm ^-1s-1 et les concentrations de O3 variaient de 30 ppb à 70 ppb. Le rapport de NO2/NO_x a été fixé à 5%. Dans les Figures 25, 26 et 27 l'effet des réactions chimiques qui se produisent après l'émission est clairement visible pour le mur lee-ward, le centre de la cavité et le mur wind-ward, respectivement (Assimakopoulos, 2001).

Figure 24: Montage expérimental de la configuration bi-dimensionnelle en milieu
Rafailidis et Schatzmann (1995).

Figure 25: Taux moyen NO2/NOx en fonction des concentrations d'O3 calculépar
MIMO pour le mur lee-ward (Assimakopoulos, 2001).

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Figure 26: Taux moyen NO2/NOx en fonction des concentrations O3 calculée par
MIMO pour le centre du street-canyon (Assimakopoulos, 2001).

Figure 27: Taux moyen NO2/NOx en fonction des concentrations de O3 calculé par
MIMO pour le mur wind-ward (Assimakopoulos, 2001).

Comme cela est illustré par les réactions dans les Figures (25, 26 et 27), l'oxydation du NO avec O 3 comme une source de NO2 et comme il n'y a pas de destruction de NO2 puisque aucune photolyse ne se produit, il ya une augmentation de 6% de sa concentration telle que la concentration d'O3 augmente. Le déplacement vers le centre de la cavité du rapport NO2/NOx présente une augmentation encore plus importante de l'ordre de 30% pour une concentration de 70ppb d'O3. Cette augmentation spectaculaire peut s'expliquer par la faible vitesse du vent observée au milieu du street-canyon. Un bon mélange de polluants se

produit avec la diffusion. Ainsi la masse d'air frais atteint la zone du milieu où le NO2 est produit. Au mur wind-ward, le rapport NO2/NOx augmente encore plus haut, mais moins élevé que dans le centre de la cavité. Ce rapport peut être expliqué par le fait que les produits chimiques recirculent, ce qui ne permet pas au mur lee-ward de réagir à la grande vitesse du vent à cet endroit car cela se produit très rapidement. Les calculs effectués avec le code CFD CFX-TASCflow démontrent le même comportement.

4.3 Résultats

Les principaux résultats numériques de l'écoulement, la dispersion et la transformation chimique des polluants dans les configurations du street-canyon sont les suivantes:

- Les champs d'écoulement résultant de ces simulations correspondent aux configurations observées dans les canyons urbains (figure 22).

- En particulier, et en bon accord avec les observations, un système à double vortex est prévu pour la configuration du street-canyon avec un rapport d'aspect w/h=1

- Des niveaux élevés de concentration de NOx sont prévus sur le mur leeward du street-canyon. O3 est diminué dans le street-canyon.

- L'oxydation du NO en NO2 conduit à une augmentation significative de la concentration en NO2.

- Le rapport NO2/NOx a été constaté et varie de façon linéaire avec les niveaux d'O3 (figures 25, 26 et 27). L'augmentation de NO2 est fortement asservie de la position dans le street-canyon. Une augmentation plus faible est observée au mur lee-ward par rapport à l'augmentation beaucoup plus élevée du mur wind-ward. Néanmoins, le mur ayant des concentrations maximales de NO2 est toujours le mur lee-ward. Les résultats indiquent qu'une position du mur lee-ward présente une concentration maximale des polluants pour les configurations décrites du street-canyon.

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Etude bibliographique / Partie 2 Chapire3 : Outils d'étude de la dispersion des polluants dans les street-canyons

Chapitre III : Outils d'étude de la dispersion des polluants dans les street-canyons

1. Expérience en soufflerie

L'objectif principal du Groupe spécialisé dans les expériences en soufflerie est de centraliser et de résumer toutes les mesures en soufflerie effectuées dans le cadre du réseau TRAPOS. Les données de soufflerie ont constitué les outils d'évaluation et d'étalonnage du modèle, afin de permettre une meilleure prédiction de dispersion des polluants. Ils ont été également utilisés pour comprendre et quantifier des effets similaires au TPT ou d'un mur de chauffage.

La modélisation micro-échelle du transport atmosphérique et la dispersion dans une zone urbaine est une tâche difficile, car les phénomènes d'écoulement complexes dans le champ proche des bâtiments doivent être résolus. Des études antérieures (Kastner-Klein et a!, 1997 ; Pavageau et a!, 1997 ; Schatzmann et a!, 1997) ont montré que les ensembles de données de l'écoulement et la dispersion de la soufflerie dans le champ proche de bâtiments sont bien adaptés à une vérification des résultats numériques du modèle. Dans la conception des études en soufflerie une grande importance a également été attachée à l'étude des mécanismes physiques qui sont mal connus à ce jour. Ainsi, les variations du vent associé avec le chauffage des murs du bâtiment à cause du rayonnement solaire et le rôle de la turbulence engendrée par les mouvements des véhicules par rapport à la dispersion des émissions du trafic ont été étudiées. Afin d'étudier et de quantifier les effets corrélés à des simplifications du modèle, le champ d'écoulement et les mesures de dispersion des polluants ont été menées pour construire des configurations de différentes complexité.

1.2 Écoulements et modèles de concentration pour les configurations de canyon rue idéalisée

1.2.1 Cavité simple

Les cavités ont été les cas les plus simples des configurations étudiées. Les expériences ont été réalisées dans la soufflerie à l'Université de Surrey, à Guildford au Royaume-Uni. Une cavité bidimensionnelle (2D) a été introduite dans le sol de la

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soufflerie. Les modèles d'écoulement intérieur de la cavité ont été mesurés pour des différents rapports d'aspect et sous l'influence du chauffage des murs. Deux différents techniques de mesure, au laser Doppler et le fil pulsé anémométrie, ont été utilisés (Kovar-Panskus, 2001)

1.2.2 Effet du rapport d'aspect

Les modèles des écoulements dans une cavité pour les différents rapports d'aspect variant de 0,3 à 2 ont été mesurés et les résultats de ces rapports d'aspect sont présentés dans la figure 28. La hauteur verticale Z a été normalisée par la profondeur de la cavité H où la valeur Z/ H = - 1 correspond au niveau de la rue et Z/ H = 0 au niveau du sol de la soufflerie. Selon le rapport d'aspect W / H, la position et la taille du vortex dans la rue est déplacé. Pour une situation ayant un rapport W / H = 1 (à gauche), le centre de recirculation coïncide approximativement avec le centre de la cavité. Dans le cas d'une rue plus large avec rapport d'aspect W / H = 2 (à droite) le centre du vortex est passé au crible plus loin en aval et une petits contre vortex tournant a été observé dans le coin de la cavité (côté gauche).

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Cette recherche vise l'identification d'un nombre de Froude seuil en dessous duquel les effets thermiques ne peuvent pas être négligés. L'étude a été menée dans la soufflerie d'ENFLO et le chauffage du mur wind-ward à un effet simulé de la radiation solaire. Une cavité 2-D de la profondeur et la hauteur fixe, H = W = 285mm, a été installé dans la soufflerie.

Figure 29: Influence du chauffage mur sur la configuration de l'écoulement dans une
cavité 2D avec le rapport d'aspect W / H = 1 (Kovar-Panskus et a!, 2001).

Les résultats sont montrés dans la figure 29. La caractéristique principale d'un vortex unique reste pour les cas jusqu'à Fr = 1,17, inférieur à celui d'un vortex secondaire faible était induite. De tous les cas examinés, une valeur seuil peut être déterminée à un nombre d'environ Fr = 1. Au premier point de mesure de 0.09W (25mm) à partir de la paroi chauffée aucun courant d'air ascendant n'était visible et donc, s'il ya une chaleur induite par le mouvement de l'air, il ne pouvait pas être résolu par les profils prises (Kovar-Panskus et a!, 2001).

1.2.4 Street-canyon de configuration 2D isolée

Dans ce cas, une configuration d'un street-canyon composé de deux bâtiments-types bar a été installée dans la soufflerie à l'Université de Karlsruhe, en Allemagne. Les bâtiments étaient entourés par de petits éléments de rugosité, uniformément réparties. Le rapport d'aspect a été W / H = 1 et les mesures d'écoulement sur le terrain ont été réalisées avec un système d'anémométrie laser Doppler.

Dans les cas de référence, les deux bâtiments avaient des toits plats. Deux autres situations avec des toits inclinés, sont ajoutées sur le bâtiment wind-ward et sur les deux bâtiments. La figure 30 présente le profil des écoulements pour les trois configurations différentes. Dans les deux cas avec des toits inclinés le vortex, présents dans le cas des toitures-terrasses, disparaît. Dans des configurations particulières d'un pas vers le bas entre le bord du toit de l'immeuble wind-ward et le bord du bâtiment lee-ward présentent des taux supérieurs de concentration sur les murs du bâtiment.

Figure 30: Influence des formes de toit sur la configuration de l'écoulement dans des
zones de configuration isolées 2D street-canyon (Kastner-Klein et Plate, 1999).

Afin d'examiner plus réellement des situations urbaines, en ajoutant d'autres bâtiments en amont, l'équipe de recherche s'est étendue dans l'étude de street-canyon isolées. La figure 31 montre les résultats des mesures de concentration aux murs lee-ward et wind-ward du street-canyon. La présence des bâtiments additifs coïncide avec une augmentation de la concentration des polluants par les deux murs du bâtiment. L'effet est plus prononcé avec une situation de deux bâtiments supplémentaires que, lorsqu'on considère qu'un seul bâtiment supplémentaire. On peut en conclure que la ventilation de la rue est réduite par la présence de bâtiments en amont.

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Figure 31: Influence de bâtiments supplémentaires wind-ward sur les profils de
concentration verticale le long des murs (lee-ward) et (wind-ward) d'un street-
canyon 2D (Kastner-Klein et Plate, 1999).

Les influences (TPT) sur le champ d'écoulement et les caractéristiques de dispersion, ont constitué un autre aspect important des études sur les street-canyons à l'Université de Karlsruhe en Allemagne. Les données ont été comparées à celles relevées sur le terrain et les résultats de la modélisation numérique ont été employées à des fins de vérification des paramètres TPT dans les modèles de dispersion (Kastner-Klein et al, 2001 ; Ketzel et al, 2001). Il a été démontré que la TPT affecte de manière significative la dispersion dans les street-canyons.

1.2.5 Écoulement et modèles de concentration pour les configurations des street-canyon avec une géométrie complexe et réaliste

Enfin, le champ des mesures d'écoulement et la dispersion ont été réalisés avec des modèles des canopées urbains réaliste en soufflerie. Ils ont été construits et étudiés au niveau de:

1.2.6 Simplification des effets

2. Calcul de la dynamique des fluides CFD

2.1 Motivation

2.2 Objectifs

2.3 Modèles et groupes dans l'exercice

Test case	2D /3D	Validation data sets	Flat plate
2D	--	Single cavity
2D	wind tunnel: U.Surrey	Multiple street canyon
2D	wind tunnel: MIHU	Surface mounted cube
2D	wind tunnel: MIHU/CEDVAL	Göttinger Strasse - real case
3D	wind tunnel: MIHU, field data: NLÖ Hannover

2.4 Résultats

2.4.1 Simple cavité

2.4.2 Cube simple

2.4.3 Street-canyon réel

Méthodes d'étude Chapire1 : Modélisation de la turbulence

1. Modélisation de la turbulence

1.1 Equations fondamentales de la dynamique des fluides

1.1.1 Grandeurs moyennes

1.1.2 Equation de continuité

1.1.3 Equation de quantité de mouvement

1.1.4 Equation de conservation d'énergie

1.2 Classes de modèles

1.2.1 Modèle

						0.09
1	1.3	1.44	1.92

2. Méthodes numériques

2.1 Résolution numérique par la méthode des volumes finis

2.2 Modélisation mathématique du problème

2.3 Présentation du logiciel CFX 11.0

2.3.1 ANSYS ICEM 11.0

2.3.2 ANSYS CFX 11.0

Résultats et Discussion

1. Domaine de calcul

1.1 Saisie des données par « ICEM CFX 11.0 w

1.2. Traitement des données par « ANSYS CFX 11.0 w

1.2.1 CFX-Pre

1.2.2 CFX-solver :

1.2.3 CFX-post 11.0

2. Traitement des résultats

2.1 Influence de l'architecture du street-canyon sur l'écoulement de l'air

2.1.1 Rapport d'aspect « w/h »

2.1.2 Forme des toits

Cette simulation est inspirée par les études expérimentales à l'Université de Karlsruhe pour étudier l'influence de la forme du toit (Kastner-Klein et Plate, 1999), dans le cadre du projet TRAPOS. Les figures 51 montrent la distribution de la vitesse moyenne ainsi que le système des vortex dans les trois types de street-canyon.

Le street-canyon « w/h=1 », avec des toits plats est considéré comme un cas de référence pour la comparaison des résultats obtenus avec les street-canyons avec des toits inclinés.

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Figure 49: Rue de type canyon avec un rapport d'aspect W / H supérieur à 2,5
(rugosité isolée), compris entre 1,54 et 2,5 (interférence de sillage), et inférieur à 1,54
(rasant), (Oke 1987).

Figure 50 : Allure de la structure de l'écoulement autour de cubes dans un flux
turbulent. A : recirculation latérale, B : recirculation de toiture, C : vortex en « fer à
cheval », D : bulle de sillage (Meinders et al, 1998).

Figure 51: Variation des champs et des contours des vitesses avec le rapport
d'aspect w/h=1 avec un toit wind-ward incliné.

Il est bien clair dans les résultats de street-canyon avec un toit placé sur l'immeuble wind-ward, on choisi ce cas pour confirmer que la modification de la

forme du toit du bâtiment wind-ward a une influence négligeable sur la structure de l'écoulement moyen dans la rue (Figure 51), par rapport au scénario de référence.

D'autre part, une modification du toit sur le bâtiment lee-ward change de manière significative le système de vortex dans la rue. On constate a partir de la figure 52, la présence des deux vortex, un au niveau du toit du bâtiment lee-ward et s'étendant transversalement au dessus du bâtiment wind-ward avec un toit plat et dans le sens des aiguilles d'une montre. Les vitesses caractérisant ce vortex ont un intervalle de -0.6 à 2(m/s). L'autre vortex occupe le street-canyon avec un sens de rotation opposé au vortex supérieur. Les vitesses varient entre -0.2 et 0.2 (m/s). On note que le vortex supérieur possède des vitesses assez élevées que le vortex inferieur. L'écoulement entre deux bâtiments qui ont des toits inclinés (figure 52), se caractérise d'un système de vortex similaires au cas décrit précedemment.de street-canyon. Deux vortex opposés sont ainsi observés. Le vortex supérieur est restreint entre les deux extrémités des toits inclinés et qui tend à inciter le vortex inferieur dans la limite supérieur de street-canyon. Les vitesses sont comprises entre -0.1 (m/s) et 1.8 (m/s) pour le vortex au niveau des toits et entre -0.1 (m/s) et 0.1 (m/s) pour le vortex au niveau du street-canyon. On remarque aussi dans ce cas, que les vitesses du vortex inferieur est plus faible par rapport au vortex supérieur.

Figure 52 : Variation des champs et des contours des vitesses avec le rapport
d'aspect « w/h=1 » avec un toit lee-ward incliné (à gauche) et avec deux toits inclinés
(à droite).

Par rapport au cas de référence (avec des toits plats), marqué par la présence d'un vortex unique principal, on remarque que la présence des toits inclinés sur l'immeuble lee-ward, en général, conduit à un déplacement de ce vortex principal à un haut niveau (entre les toits) et le développement d'un contre vortex occupant la cavité et avec des vitesses moins intenses. Une autre remarque, à propos des distributions de vitesses, il y'a un déplacement vertical induit par la forme des toits inclinés qui tend à dévier les vitesses.

Certaines instabilités de la couche cisaillée au niveau des toits sont responsables de la perturbation du mélange. La sensibilité de la couche cisaillée par la forme des toits a une influence significative sur la ventilation d'un street-canyon. Le cas des toits inclinés montre des valeurs de déformation pour la vitesse verticale prés des toits. Cette déformation indique une perturbation du mouvement vertical

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causé par la structure turbulente cohérente. Comme référence les résultats de de Christen en 2005 ont montré une dynamique d'écoulement différente pour le cas des toits plats et des toits inclinés avec une déformation au niveau des vitesses verticales. Ceci indique une diminution dans l'échange vertical causé par le déplacement d'une structure turbulente présente dans le cas des toits plats et maintient le transfert de masse avec l'air au dessus du street-canyon.

La figure 53 montre les profils lee-ward, centre et wind-ward pour les trois cas de simulation. Dans le cas du toit wind-ward incliné, on a obtenu les mêmes profils de vitesses de cas de référence. La différence est dans la distribution des vitesses au centre de -0.35 à 0.8 (m/s). L'emplacement du toit sur l'immeuble wind-ward a détourné la direction de la vitesse, et réagit comme un obstacle ce qui réduit la vitesse d'écoulement entrant dans le street-canyon. Pour les deux cas du toit leeward incliné et les toits lee-ward et wind-ward inclinés, on remarque l'inversion des profils dans le street-canyon. L'étendue de vitesse varie entre -0.6 à 0.15 (m/s) pour le premier cas et entre -0.8 à 0.4 (m/s) pour le deuxième. Cette différence s'explique aussi par la position des toits sur l'immeuble wind-ward. L'immeuble wind-ward avec un toit incliné détourne les vitesses vers le canyon-street par contre pour l'immeuble wind-ward avec un toit plat les vitesses se déplace hors de la cavité.

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Kastner-Klein et al (1999), ont remarqué que dans les deux cas avec des toits inclinés, le vortex présent dans le cas des toits plats disparaît (Figure 30). L'écoulement se sépare au niveau du rebord du toit et la zone de recirculation, et ne pénètre pas à l'intérieur du street-canyon où une zone de stagnation peut être observée. Par conséquent, l'échange entre l'intérieur du street-canyon et la circulation urbaine de la couche limite est aussi considérablement affecté. Par contre, Barlow et Leitl en 2005 ont montré que pour le cas des toits inclinés avec un rapport d'aspect « w/h=1 », le centre de vortex a été déplacé à un haut niveau, entre les toits inclinés. Un faible écoulement a été observé au niveau du street-canyon, dont le sens opposé de l'écoulement entre les toits. Cela a indiqué la présence d'un faible contre vortex.

Les résultats des différentes études expérimentales et numériques ont donc démontré, que la modification des géométries des toits a un effet non négligeable. Leurs impacts sur la formation des vortex et la dynamique de l'air est plus grande que le rapport d'aspect d'un street-canyon.

2.2 Dispersion des polluants dans un street-canyon

Dans la première partie des simulations, on a étudié l'influence de l'aspect architectural sur les mécanismes de l'écoulement de l'air et la ventilation dans un street-canyon. L'écoulement du vent et des caractéristiques de turbulence sont

d'une importance capitale dans l'estimation du niveau de pollution dans les rues. En effet, l'écoulement moyen régit le mécanisme de transport des polluants, bien que la turbulence influe fortement sur le mélange de polluants et les mécanismes de dispersion. Quand on étudie la dispersion des polluants dans les rues, il est donc essentiel d'évaluer l'influence de la géométrie de la rue sur ces mécanismes. Pour cela, on a effectué une étude complémentaire basée sur les résultats obtenus dans la première partie.

La figure 54 montre la géométrie adaptée pour la simulation de la dispersion d'un polluant gazeux. La configuration de référence est un street-canyon avec des toits plats et possédant un rapport d'aspect « w/h=1 ». On a placé sur le sol du street-canyon une source de pollution linéaire dont la largeur b=2mm et l=H et avec une distance équivalente entre les deux immeubles. La source linéaire est considérée comme un traceur passif. On a gardé les mêmes conditions aux limites des simulations précédentes. On a ajouté une seule condition pour la source de pollution à savoir :

- INLET1 [SMOKE] : la source de pollution volumétrique, considérée comme entrée des émissions gazeuses. La vitesse d'entrée est de v=0.5 (m/s) et la concentration est de C=1kg/m³.

On a effectué l'emplacement de cette source de pollution, pour les simulations des street-canyons avec des rapports d'aspect « w/h » est de (2, 0.7, 0.5, 0.3) ainsi pour les street-canyons avec des toits inclinés.

2.2.1 Rapport d'aspect

La figure 55 montre la concentration du polluant dans des street-canyons avec les rapports d'aspect « w/h= 1 ».

Dans le cas référence « w/h=1 », on observe une grande concentration des polluants sur le mur lee-ward et une faible concentration des polluants dans le mur wind-ward. Puisque l'écoulement de l'air dans le street-canyon se caractérise par un vortex tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, il sert à transporter les polluants vers le mur lee-ward.

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Pour le street-canyon « w/h=2 », « w/h=0.7 » et « w/h=0.5 » dans la figure 56, on remarque dans que la dispersion des polluants est similaire au cas de référence. Une grande accumulation des polluants sur le mur lee-ward est générée par le vortex primaire caractérisant le mouvement de l'air dans les trois cavités. Le niveau de transport des polluants sur le mur lee-ward dépend de l'intensité des vitesses caractérisant le vortex dans le street-canyon.

Dans le cas d'un street-canyon « w/h=0.3 » (figure 57), on note la présence d'une zone stagnante des polluants dans la partie inferieure de la cavité. Une grande accumulation des polluants se produit au bas du mur wind-ward.

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changer le sens de la dispersion vers le mur wind-ward avec une faible vitesse de rotation, ce qui implique la stagnation des polluants à l'intérieur du street-canyon.

La figure 56 : Concentration des polluants dans les street-canyon
« w/h=2 », « w/h=0.7 » et « w/h=0.5 »

La figure 58 présente la concentration du polluant pour les profils lee-ward, centre et wind-ward. Pour les rapports d'aspect « w/h=2 » et « w/h=1 » les concentrations sur le mur wind-ward et le centre se coïncident à partir du point z=0.1m avec des faibles concentrations. Dans la partie 0<z<0.1 [m], la concentration est maximale puisque la source de pollution est placée à cet endroit. Une concentration constante sur le mur lee-ward de 0.1kg/m³ pour « w/h=2 » et une concentration entre 0.15 et 0.225 kg/m³ pour « w/h=1». Pour les deux cas le

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transport du polluant est généré par le vortex dominant dans le street-canyon et par conséquent la concentration des polluants est élevée sur le mur lee-ward.

La concentration du polluant est augmentée pour les rapports d'aspect « w/h=0.7 » et « w/h=0.5 » au niveau du mur lee-ward. Les valeurs sont de l'ordre de 0.16 à 0.41 kg/m³ et de 0.19 à 0.7 kg/m³ respectivement. La concentration dans le centre du street-canyon et le mur wind-ward est similaire avec le cas w/h=1, avec une augmentation de 0.004 kg/m³. Le cas « w/h=0.5 » marque aussi l'augmentation de concentration dans le centre et le mur wind-ward dans la partie 0<z<0.04 [m]. La présence du vortex primaire tend à transporter une quantité des polluants à un niveau élevé du street-canyon puisque le vortex secondaire est représenté par des faibles vitesses.

Pour le cas « w/h=0.3 », la concentration est élevée sur le mur wind-ward de 0 à 0.32 kg/m³ et de 0 à 0.21 kg/m³ sur le mur lee-ward dans la partie 0<z<0.058 [m]. Dans la partie 0.058<z<0.106 [m] la concentration est nulle. Ce qui explique la stagnation de pollution dans la partie inferieure et l'inversion de la concentration sur le mur wind-ward suivant la direction du vortex présente dans ce cas.

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On peut noter que Le rapport d'aspect a une grande influence sur la dispersion des polluants dans un street-canyon. Les résultats montrent que les street-canyon avec des rapports d'aspect élevés, les polluants se transportent hors de la cavité. On peut dire que cette circulation du vent permet le renouvellement de l'air et la ventilation du street-canyon. Par contre pour des faibles rapports d'aspect, une mauvaise ventilation et une stagnation des polluants sont prévue dans le street-canyon.

2.2.2 Forme des toits

La figure 59 montre la concentration des polluants pour les street-canyons avec un rapport d'aspect « w/h=1 » et des toits inclinés de 45° (a : sur le bâtiment lee-ward ; b : sur les deux bâtiments). La figure 60 met en évidence la comparaison des concentrations des polluants sur les murs et le sol pour les deux cas avec des toits inclinés et le cas de référence. Dans le cas des toits plats, les concentrations sont élevées sur le mur lee-ward. Cette augmentation est continue au niveau du sol, jusqu'à atteindre la concentration maximale prés de l'emplacement de la source de pollution. Une chute de concentration est prévue à gauche de la source, jusqu'au mur wind-ward où la concentration s'affaiblie.

Les résultats pour les deux cas avec des toits inclinés sont similaires. Des concentrations du polluant sont réparties inversement par rapport au cas de référence. Le transport des polluants vers le mur wind-ward se produit avec des valeurs considérables et des valeurs négligeables sur les murs lee-ward, et la répartition prés du sol avec des concentrations élevées prés de la source de pollution.

Les concentrations des polluants pour des positions lee-ward, wind-ward et centre sont représentées dans la figure 61. La concentration est élevée sur le mur wind-ward entre 0.1 et 0.35 kg/m³ et constante kg/m³ sur le mur lee-ward de 0.8. Ainsi la concentration du polluants dans le centre est maximale au niveau de la source et dimiue brusquement jusq'à de basses concentrations qui coincident avec

les concentrations du mur lee-ward. Ceci affirme la présence d'un vortex inverse tournant dans le street-canyon et qui tend à inverser le transport du poluants.

Figure 59 : Concentration des polluants dans un street canyon avec un rapport
d'aspect « w/h=1 » et des toits inclinés de 45° et (a) sur le bâtiment lee-ward et (b)
sur les deux bâtiments

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Figure 60 : Concentrations des polluants sur les murs et le sol pour les deux cas avec des toits inclinés et le cas de référence.

Figure 61 : Concentrations des polluants pour des positions lee-ward, windward et centre pour les deux cas des toits inclinés

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polluants sur le mur wind-ward par la présence de contre vortex qui change la direction de la dispersion vers le mur wind-ward. A cause des faibles vitesses de contre vortex, l'écoulement de l'air et la ventilation dans la cavité est devient assez faible.

Les études réalisés en soufflerie par Rafailidis (1997) ont montrés que le changement de la forme des toits entre plats et inclinés cause un changement significative dans la concentration du polluant dans un street-canyon. Kastner et al (1999) ont réalisé plusieurs études à ce niveau, ils ont conclu que la dynamique dans le street-canyon a changé comme suit :

- Le vortex dans le street-canyon, n'est pas formé dans le cas des toits inclinés. - L'échange de l'air verticalement est entravé.

- L'écoulement pré du street-canyon est affaibli et la direction est inversée. - La recirculation est formée ou déplacé au niveau des toits.

Les simulations numériques réalisées par Theodoridis et Moussiopoulos (2000) présentent des configurations de l'écoulement moyen similaire.

Conclusion

Ce travail propose une réponse partielle sur la dispersion des polluants d'un traceur passif, à savoir la circulation de l'air dans un street-canyon. Le choix est porté sur une simulation numérique d'un écoulement de l'air dans un street-canyon avec une variation du rapport d'aspect et une modification des formes des toits pour évaluer l'influence de l'architecture de la rue sur l'écoulement de l'air et la dispersion des polluants en ajoutant une source de pollution pour les même simulations. L'approche adaptée permet la détermination de la structure de l'écoulement.

Ce travail est inspiré par les expériences de la soufflerie qui ont été réalisé au sein du projet TRAPOS dans le but de comparer avec nos résultats numériques et avec d'autres codes de simulation numérique utilisés dans ce projet. Pour le cas des rapports d'aspect variables « 2, 1, 0.7, 0.5, 0.3 », on remarque une relation entre la variation du rapport d'aspect du street-canyon et la présence de vortex en nombre, volume et forme, c'est à dire avec des rapports d'aspect larges dans les simulations présentées « W/H=2 », la présence d'un vortex de grande taille qui tente à se déplacer légèrement vers le mur wind-ward et un petit contre vortex qui se développe au niveau de la largeur du street-canyon. Pour un rapport d'aspect « W/H=1 », seulement un vortex occupe la cavité complètement et pour des rapports d'aspects décroissants (0.7, 0.5 et 0.3), le vortex tente à se déplacer vers le haut de la cavité jusqu'à la création des nouveaux vortex diffusés suivant la hauteur du street-canyon. La modification des formes des toits est marquée par la présence d'un vortex unique principal. On remarque que la présence des toits inclinés sur l'immeuble lee-ward, en général, conduit à un déplacement de ce vortex principal à un haut niveau (entre les toits) et le développement d'un contre vortex occupant la cavité et avec des vitesses moins intenses.

La comparaison de nos résultats avec les résultats expérimentaux (en soufflerie) et numériques (code CHENSI) obtenus par le groupe TRAPOS pendant le projet donne des résultats similaires. Dans les simulations avec la source de pollution, on remarque que le rapport d'aspect a une grande influence sur la dispersion des polluants dans un street-canyon. Les résultats montrent que dans les street-canyon avec des rapports d'aspect élevés, les polluants se transportent hors de la cavité. On peut dire que cette circulation du vent permet le renouvellement de

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l'air et la ventilation du street-canyon. Par contre pour des faibles rapports d'aspect, une mauvaise ventilation et une stagnation des polluants se produit dans le street-canyon.

On peut conclure, que la géométrie du toit a une forte influence sur la ventilation du canyon. En particulier, pour des configurations des toits inclinés sur l'immeuble lee-ward. Les valeurs de concentration significativement plus élevés ont été observées au niveau du mur wind-ward du bâtiment. Dans ces cas, la concentration maximale est également passée du mur wind-ward au mur lee-ward du street-canyon, ce qui indique la disparition de la recirculation à l'intérieur et un mauvais système de ventilation et la stagnation des polluants à l'intérieur du street-canyons. Aussi pour les résultats pour la dispersion des polluants dans des street-canyons avec des toits inclinés ont donc démontré, que la modification des géométries des toits a un effet non négligeable. Leurs impacts sur la formation des vortex et la dynamique de l'air est plus grande que le rapport d'aspect d'un street-canyon.

Le présent travail apporte la preuve de la capacité du logiciel ANSYS CFX 11.0 à résoudre des problèmes de la dispersion des polluants dans les street- canyons. Il sert également, à réaliser des simulations d'écoulement plus complexes par exemple en 3D et en écoulement instationnaire. Le plus important est qu'il peut constituer et servir comme une base des donnés pour d'autre études dans le même axe et la même thématique.

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