Charlotte Durand s'est associé à un spectacle innovant pour sensibiliser le public aux enjeux climatiques.
https://ingenius.ecoledesponts.fr/articles/quand-la-science-se-met-en-scene/
Un nouvel article sur INGENIUS est publié à la base de la thèse de Joffrey Dumont.
Titre : Modélisation numérique multi-échelle de la qualité de l’air pour le milieu urbain"
Date: 04/10/2024
Composition du Jury :
Marianne Hatzopoulou (Univ. of Toronto) - Rapporteure
Lionel Soulhac (INSA Lyon) - Rapporteur
Clemens Mensink (VITO) - Examinateur
Karine Sartelet (CEREA) - Examinatrice
Yelva Roustan (CEREA) - Directeur de thèse
Myrto Valari (LMD) - Co-encadrante de thèse
Florian Couvidat (INERIS) - Invité
Fabrice Dugay (Airparif) - Invité
Gilles Foret (LISA) - Invité
Résumé des travaux de thèse :
La pollution atmosphérique représente un risque environnemental et sanitaire majeur, notamment en milieu urbain, où de nombreuses personnes vivent à proximité de sources de pollution telles que le trafic routier. La distribution spatiale du trafic et la morphologie spécifique des rues influencent fortement les niveaux de concentration locaux, avec des configurations où les polluants tels que les particules et le dioxyde d'azote (NO2) peuvent s'accumuler en raison d'une dispersion limitée. Le temps de résidence atmosphérique de ces polluants rend également significative la contribution des sources plus éloignées. La concentration locale étant influencée à la fois par la pollution de fond et les sources locales, une modélisation à ces différentes échelles est nécessaire afin de comprendre au mieux les échanges complexes de pollution en milieu urbain. Les simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse intègrent une modélisation météorologique avec le modèle WRF, l'estimation des concentrations régionales à l'aide du modèle de chimie-transport eulérien 3D CHIMERE, l'évaluation des concentrations locales par le biais du modèle de réseau de rue MUNICH, et enfin, la représentation de la formation des composés secondaires avec le module chimique SSH-aerosol couplé au schéma gazeux MELCHIOR2.
La mise en place de données précises d'occupation des sols s'est avérée cruciale dans les simulations météorologiques effectuées en milieu urbain. La distinction de plusieurs types de tissus urbains et une représentation affinée de la densité urbaine dans le domaine régional étudié permet une modulation appropriée des flux de chaleur anthropique. Une augmentation du flux de chaleur anthropique par un facteur 3 entraîne en moyenne une diminution de 19% des concentrations d'oxydes d'azote (NOx) dans les rues.
Deux méthodes capables d'estimer les concentrations à l'échelle locale ont été comparées : MUNICH et la méthode sous-maille intégrée à CHIMERE. Cette méthode consiste en une approche statistique capable de désagréger les émissions provenant de divers secteurs, notamment le trafic routier. Pour ce faire, des simulations ont été menées sur la période de février à mars 2014. Les polluants étudiés incluent les NOx, le NO2 et les particules fines. Les concentrations générées par la méthode statistique ne sont pas suffisamment précises sur les zones présentant une forte hétérogénéité urbaine. On note un biais de concentrations entre les deux approches pouvant atteindre 58% dans ces zones. MUNICH intègre mieux les hétérogénéités d'émissions et de morphologie dans ces contextes particuliers. La morphologie de la rue, information que connaît MUNICH contrairement à la méthode sous-maille, se révèle être un facteur moins influent que les émissions.
Afin d'approfondir la compréhension des échanges de flux de pollution entre les niveaux local et régional et d'affiner leur représentation, CHIMERE a été couplé de manière dynamique avec MUNICH. Par rapport au chaînage séquentiel mis en oeuvre précédemment, cela permet d'intégrer une influence du modèle local sur les concentrations de fond. Ce couplage prévient également la double présence des émissions qui sont utilisées à la fois dans le modèle régional et dans le modèle local, dans le cas séquentiel. Sur une période de simulation d'un mois (février 2014), les estimations du système couplé multi-échelle par rapport à celles du chaînage séquentiel montrent des performances très similaires à l'échelle régionale avec une très légère diminution des concentrations des NOx, NO2 et PM2,5. À l'échelle locale, le couplage améliore légèrement les performances des estimations de NO2, d'après les mesures disponibles. Tandis que les concentrations moyennes des NOx sont équivalentes à l'échelle de la ville avec les deux méthodes, on note une augmentation d'environ 5% des concentrations de NO, de 4% des concentrations de PM2,5, ainsi qu'une diminution d'environ 8,5% de NO2 dans le cas du couplage.
Karine Sartelet est invitée au podcast "Le climat, une question de...VILLES"
https://www.ipsl.fr/article/podcast-le-climat-une-question-de-villes/
Diffusion sur Spotify
Alice Maison a reçu la médaille d’argent-Dufrenoy de l'académie de l'agriculture dans la section environnement et territoire, pour sa thèse sur la "Modélisation des impacts des arbres sur la qualité de l’air de l’échelle de la rue à la ville".
Surveiller les émissions de gaz à effet de serre depuis l’espace grâce à l’apprentissage profond
Interview d'Alice Maison par Ingenius
https://ingenius.ecoledesponts.fr/articles/interview-dalice-maison/
INGENIUS
Les visages de la recherche – Technicien·ne
Aurélien présente son métier dans un vidéo suivant
https://www.youtube.com/watch?v=eXV6HXviWn4
Alice Maison a reçu le 1er prix pour le prix de thèse du ministère de la Transition écologique 2024.
Résumé
Ce travail de thèse vise à étudier la dispersion atmosphérique de polluants à l'échelle locale. Dans ce contexte, nous nous concentrons sur la modélisation de la dispersion de polluants en utilisant des méthodes lagrangiennes stochastiques à haut Reynolds. Au sein de ces méthodes, les polluants et/ou le fluide porteur sont simulés par le biais d’un grand nombre de particules stochastiques permettant une représentation des propriétés statistiques de la turbulence. Une approche hybride est utilisée au sein de laquelle les champs porteurs moyens (par exemple la vitesse moyenne) sont obtenus sur un maillage par le biais de solutions externes (solutions analytiques ou calcul volumes finis). Par ailleurs, nous nous intéressons à l’influence de la stabilité atmosphérique sur la dispersion de polluants, en particulier dans la couche inférieure de l’atmosphère. L’objectif de cette thèse est triple : premièrement, il vise à étudier les erreurs numériques entachant de telles méthodes, deuxièmement, à améliorer la modélisation des écoulements de couche limite de surfaces atmosphériques, et finalement, à observer l’influence de ces éléments sur la modélisation de panaches obtenus en ne simulant que les particules issues de sources locales de polluants. A cette fin, les simulations sont réalisées à l'aide du code CFD open-source code_saturne qui est développé par EDF R&D. Premièrement, dans l'optique de limiter les erreurs numériques durant l’intégration sur de longs pas de temps, un algorithme de découpage en sous-pas de temps est présenté. Celui-ci permet de mettre à jour de façon dynamique et optimale les champs porteurs associés à chaque particule, lorsqu’elle rentre dans une cellule. Afin d’éviter des erreurs d’anticipation dues à la nature stochastique de ces particules, des particules virtuelles déterministes sont utilisées pour obtenir les temps de parcours dans chaque cellule. Par ailleurs, une étude poussée sur les erreurs spatiales apparaissant lorsque l’on considère des écoulements de couche limite de surface est réalisée, et des solutions pour limiter celles-ci sont proposées. Il est montré que ces dernières sont dues à des erreurs lors de l’interpolation des champs porteurs à la position des particules impactant la dynamique de celle-ci, mais aussi lors de l’estimation sur un maillage des statistiques issues de ces particules.Par ailleurs, dans l'optique d’améliorer la modélisation des écoulements de couche limites de surface, la nécessité d’utiliser une condition de rebond anélastique en proche paroi pour la vitesse et la température potentielle instantanée a été vérifiée. Sans celle-ci, les gradients, mais aussi les flux turbulents en proche paroi s’effondrent, en opposition avec la physique des écoulements pariétaux. Par ailleurs, une description cohérente avec le choix de modélisation sélectionnée a été dérivée grâce à l’obtention de solutions algébriques et à la résolution numérique du taux de dissipation d'énergie cinétique turbulente. Celle-ci permet de bien retrouver les solutions asymptotiques associées à la théorie de Monin--Obukhov et est cohérente avec les résultats de code_saturne dans le cas stable. Pour les cas instables, une étude sur le rôle de la diffusion d’énergie cinétique turbulente reste à réaliser. Finalement, l’effet de ce travail sur la dispersion de polluant a été vérifié en cas neutre grâce à des essais expérimentaux en canal plan, à la fois en l’absence et en présence d’un obstacle. Il est montré que les éléments ayant un poids majoritaire restent l’estimation des champs porteurs et le choix du modèle considéré. Par ailleurs, dans un cas thermiquement stratifié, l’influence sur la forme des panaches de la stabilité atmosphérique et de la modélisation des effets thermiques a été vérifiée grâce à une étude qualitative.
Lya Lugon présente ses travaux de thèse. Elle a été lauréate en 2022 du Prix de thèse Paris-Est Sup et du prix de thèse des Ponts.
https://ingenius.ecoledesponts.fr/articles/mieux-evaluer-la-qualite-de-lair-dans-les-rues-de-paris/
Podcast - à la rencontre des doctorants - Lya Lugon
Le chercheur du CEREA, Alban Farchi présente l'évolution récente sur la prévision météorologique par l'intelligence artificielle.
Bonne lecture !
https://ingenius.ecoledesponts.fr/articles/intelligence-artificielle-meteorologie/
Résumé
Les incendies de grande ampleur survenus en milieu urbain, tels que ceux de l'usine Lubrizol ou de la cathédrale Notre-Dame de Paris en 2019 en France, mettent en évidence la nécessité de développer des moyens d'évaluation des risques engendrés par les panaches de fumées pour la population et l'environnement. L'un des enjeux est de fournir rapidement aux autorités des informations sur les zones impactées par le panache et les niveaux de concentration de polluants auxquels les personnes ont pu être exposées.La modélisation de la dispersion atmosphérique est une méthode utilisée pour évaluer la propagation des concentrations de polluants dans l'atmosphère. En particulier, la simulation de la dispersion des substances toxiques issues d'un rejet ponctuel peut permettre d'orienter des stratégies de prélèvements. Pour les incendies, les caractéristiques de la source polluante peuvent être déterminées au moyen de corrélations qui dépendent des propriétés thermocinétiques du feu. Cependant, en cas de rejet accidentel, les émissions sont a priori inconnues et les simulations visant à analyser le comportement du panache de fumées sont alors réalisées avec des hypothèses et des incertitudes importantes.Si l’on dispose de mesures de concentrations dans l’atmosphère, il devient intéressant de mettre en œuvre une approche de modélisation inverse basée sur l'utilisation conjointe de ces mesures et d'un modèle de dispersion. Deux méthodes basées sur le cadre de la modélisation inverse bayésienne sont développées pour retrouver le terme source d'un incendie de grande ampleur par l'assimilation de mesures de concentration de polluants in-situ. Une méthode semi-bayésienne et une méthode bayésienne de type Monte Carlo par chaîne de Markov sont considérées pour la caractérisation du rejet.La source à retrouver est décrite par un taux d'émission variable dans le temps et une hauteur d'émission. Cette dernière, liée au phénomène d'élévation du panache, est un paramètre important pour évaluer l'impact de la pollution à proximité de l'incendie. Deux stratégies de paramétrisation des hauteurs d'émission sont développées. La première consiste à retrouver les taux de rejet pour toutes les hauteurs d'émission prédéfinies depuis la modélisation directe. La seconde est une proposition d'inversion qui consiste à inverser la hauteur d'émission pour obtenir une intensité de rejet associée. En outre, plusieurs ajustements des méthodes inverses sont proposées pour les rendre plus robustes, notamment avec la caractérisation des niveaux de pollution ambiants.Ces méthodes inverses sont appliquées dans le cadre d'une expérience de simulation d'un système d'observation ("OSSE") correspondant à l'incendie de la cathédrale Notre-Dame en 2019 et d'une étude de cas réel correspondant à l'incendie d'un grand entrepôt à Aubervilliers, près de Paris, en 2021.
Résumé
Les arbres apportent de nombreux services écosystémiques en ville, ils permettent de diminuer certaines conséquences de l’urbanisation comme l’îlot de chaleur urbain et le ruissellement de l’eau. Leur effet thermo-radiatif améliore le confort thermique. Les arbres peuvent également impacter la qualité de l’air en ville via différents processus. Le dépôt de polluants gazeux et particulaires sur les feuilles des arbres peut contribuer à la diminution des concentrations. Cependant, l’effet aérodynamique des arbres modifie l’écoulement dans les rues canyons et limite la dispersion des polluants émis dans la rue. Par ailleurs, les arbres émettent des composés organiques volatils biogéniques (COVb) qui peuvent participer à la formation d’O3 et d’aérosols organiques secondaires. Les émissions de COVb varient selon l’espèce d’arbre, et sont influencées par des facteurs climatiques (température, rayonnement) mais aussi par le statut hydrique des arbres. Cette thèse a pour objectif de quantifier les impacts de ces différents processus sur la qualité de l’air en ville. Des simulations numériques sont réalisées sur la ville de Paris pendant l’été 2022 avec la chaîne de modèles CHIMERE/MUNICH afin de quantifier l’impact des arbres sur les concentrations atmosphériques de polluants à l’échelle locale et régionale. Les concentrations simulées sont comparées à des mesures. Les arbres urbains ne sont généralement pas pris en compte dans les modèles de qualité l’air, aussi bien à l’échelle régionale qu’à l’échelle de la rue. Pour intégrer les émissions de COVb dans le modèle régional CHIMERE, un inventaire est réalisé à partir de la base de données des arbres de la ville de Paris. Une méthode est développée afin d’estimer les caractéristiques des arbres qui sont utilisées en données d’entrée des différents modèles (surface de feuille, biomasse sèche, taille de la couronne, etc.). En moyenne sur les mois de juin et juillet 2022 à Paris, les émissions biogéniques locales des arbres induisent une augmentation de 1,0% d’O3, 4,6% de PM1 organiques et 0,6% de PM2.5. Les émissions biogéniques des arbres urbains augmentent très fortement les concentrations d’isoprène et de monoterpènes. Par comparaison aux mesures, les concentrations de terpènes ont tendance à être sous-estimées, compte tenu des incertitudes liées aux facteurs d’émissions et à la part de végétation manquante dans l’inventaire. Les émissions de terpène de la végétation urbaine et suburbaine influencent fortement la formation de particules organiques, il est donc important de bien les caractériser dans les modèles de qualité de l’air. Les différents effets des arbres urbains sur la qualité de l’air à l’échelle de la rue sont ensuite ajoutés dans le modèle de réseau de rue MUNICH. L’effet aérodynamique des arbres dans les rues est paramétré à partir de simulations de mécanique des fluides. Il induit une augmentation des concentrations des composés émis dans la rue. Cette augmentation peut atteindre +37% pour le NO2 dans les rues avec une surface de feuilles importante et un trafic élevé. Le dépôt sur les feuilles des arbres est calculé à partir d’une approche résistive adaptée à l’échelle de l’arbre urbain dans la rue. Cependant, son impact sur les concentrations reste limité sur les gaz et particules étudiés (< -3%).Pour finir, un couplage entre les modèles TEB (modèle de surface urbaine), SPAC (modèle de continuum sol-plante-atmosphère) et MUNICH a été mis en place. Ce couplage permet de mieux représenter les impacts des hétérogénéités du micro-climat urbain et de l’effet thermo-radiatif des arbres sur les concentrations de gaz et de particules. L’effet de ce micro-climat et du stress hydrique des arbres sur les émissions de COVb est aussi pris en compte afin d’affiner le calcul des émissions.
Karine Sartelet a reçu une médaille de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo, suite à sa conférence sur la "modélisation multi-échelle de la qualité de l'air dans les villes", et à plus de trois années de collaboration productive avec le laboratoire d'Ooka et Kikumoto.
Dans le cadre de ce premier épisode de rendez-vous en air inconnu, en 2020, nous présentons les activités d’EDF dans le domaine de la qualité de l’air, dont l’expertise repose en partie sur son laboratoire commun avec l’École des Ponts ParisTech, le CEREA (Centre d’enseignement et de recherche en environnement atmosphérique). On montre comment cette expertise est sollicitée de manière concrète auprès de collectivités comme la ville de Villiers-sur-Marne ou d’institutions publiques comme le secteur hospitalier avec l’exemple du centre de traitement des grands brûlés de l’hôpital Saint-Louis de l’APHP, afin d’assurer une meilleure maîtrise de la qualité de l’air, en intérieur comme en extérieur. Enfin, on y décrit le rôle du CEREA en lien avec cette problématique.
https://www.youtube.com/watch?v=fQa3OyZdQvw
Modélisation de l’impact du trafic routier sur les concentrations de polluants en zone urbaine
La soutenance se tiendra le jeudi 8 juin 2023, de 14h à 17h, dans l’Amphithéâtre Cauchy, École des Ponts (6/8 Av. Blaise Pascal, 77420 Champs-sur-Marne).
Composition du jury
Pr Guy BRASSEUR, Max Planck Institute for Meteorology, Rapporteur
Dr Oriol JORBA, Barcelona Supercomputing Center, Rapporteur
Pr Isabelle COLL, Université Paris-Est Créteil, Examinatrice
Dr Yao LIU, Université Gustave Eiffel, Examinatrice
Pr Lionel SOULHAC, INSA Lyon, Examinateur
Dr Karine SARTELET, École nationale des ponts et chaussées, Directrice de thèse
Dr Yelva ROUSTAN, École nationale des ponts et chaussées, Co-encadrant de thèse
Dr Christophe CHAILLOU, Aramco, Invité
Résumé en français
En milieu urbain et en particulier dans les rues, les personnes sont exposées à de fortes concentrations de dioxyde d’azote (NO2), et de particules dont les aérosols organiques (OM) et le carbone suie (BC). Afin de mieux comprendre les sources et représenter l’évolution des concentrations dans les rues, une modélisation multi-échelle est utilisée, avec le modèle de réseaux de rues MUNICH couplé au modèle de chimie-transport régional Polair3D et au module chimique SSH-aerosol pour représenter la formation des composés secondaires aux différentes échelles.
L’influence des émissions des composés organiques volatils (COV) du trafic routier, des émissions hors dues à l’usure des hors échappements et des émissions d’asphalte est étudiée avec des scénarios de sensibilité. La simulation de référence utilise des facteurs d’émission standards obtenus de la méthodologie COPERT. L’utilisation de données récentes de mesure de spéciation permet de mieux caractériser les COV émis, en particulier les composés organiques intermédiaires, semi et faiblement volatils (COVI/S/F), engendrant une réduction des concentrations de OM allant jusqu’à 27 %. Une augmentation de 219 % des émissions de BC dues à l’usure des pneus, cohérente avec la littérature, double les concentrations de BC. Les émissions d’asphalte augmentent fortement les émissions de COVI/S/F. Les concentrations de particules simulées en prenant en compte ces émissions se comparent bien aux observations, soulignant l’importance de mieux caractériser cette source manquante dans les modèles.
Des simulations sont ensuite réalisées pour l’année 2030 afin d’évaluer les impacts futurs des émissions du trafic sur les concentrations. L’introduction de véhicules à très faibles émissions, conformes aux futures normes européennes d’émissions, induit une forte réduction des émissions par rapport à une flotte représentative de l’année 2014. Les émissions de NO2 et de BC sont réduites de 70 %, entrainant une diminution des concentrations de 52 % pour le NO2, 42 % pour le BC, et 20 % pour les particules. Les émissions d’une flotte composée uniquement de véhicules à très faibles émissions sont 99 % et 80 % plus faibles pour le NO2 et le BC respectivement, réduisant les concentrations de NO2 de 80 % et celles de BC de 45 %.
Pour représenter les gradients de concentrations dans les rues et mieux estimer l’exposition des personnes, une nouvelle version de MUNICH est développée. Plutôt que de considérer les concentrations homogènes dans chaque segment de rue, le volume des rues est discrétisé avec trois niveaux verticaux. Une discrétisation horizontale en deux zones est également introduite sous certaines conditions avec une paramétrisation tirée du modèle OSPM. Les concentrations simulées dans les rues de Copenhague et de l’est parisien avec cette version discrétisée de MUNICH se comparent mieux aux observations que celles simulées avec la version homogène, et les concentrations de NO2, BC et OM sont plus élevées en bas des rues.
Mots-clés : qualité de l’air, modélisation numérique, trafic routier, émissions, milieu urbain, polluants primaires et secondaires.
English abstract
In urban areas and in particular in the streets, populations are exposed to high concentrations of nitrogen dioxide (NO2), and particulate matter including organic aerosols (OM) and black carbon (BC). In order to better understand the sources and to represent the evolution of the concentrations in the streets, a multiscale modeling is used, with the street-network model MUNICH coupled to the regional chemistry-transport model Polair3D, and to the chemical module SSH-aerosol to represent the formation of the secondary compounds at the different scales.
The influence of volatile organic compound (VOC) emissions from road traffic, non-exhaust emissions due to tire wear and asphalt emissions are studied with sensitivity scenarios. The reference simulation uses standard emission factors obtained from the COPERT method- ology. The use of recent speciation measurement data allows for a better characterization of the emitted VOCs, in particular intermediate, semi and low volatile organic compounds (I/S/LVOC), resulting in a reduction of OM concentrations of up to 27 %. A 219 % increase in BC emissions from tire wear, consistent with the literature, doubles BC concentrations. Asphalt emissions strongly increase I/S/LVOC emissions. The simulated PM concentra- tions taking into account these emissions compare well with observations, highlighting the importance of better characterizing this missing source in the models.
Simulations are then performed for the year 2030 to assess the future impacts of traffic emissions on concentrations. The introduction of ultra-low emission vehicles, compliant with future European emission standards, results in a large reduction in emissions compared to a representative fleet of 2014. NO2 and BC emissions are reduced by 70 %, resulting in a decrease in concentrations of 52 % for NO2, 42 % for BC, and 20 % for PM. Emissions from a fleet of only ultra-low emission vehicles are 99 % and 80 % lower for NO2 and BC respectively, reducing NO2 concentrations by 80 % and BC concentrations by 45 %.
To represent the concentration gradients in the streets and to better estimate the popula- tion exposure, a new version of MUNICH is developed. Instead of considering homogeneous concentrations in each street segment, the street volume is discretized with three vertical levels. A horizontal discretization into two zones is also introduced under specific conditions with a parameterization from the OSPM model. The concentrations simulated in the streets of Copenhagen and eastern Paris with this discretized version of MUNICH compare better with observations than those simulated with the homogeneous version, and the concentrations of NO2, BC and OM are higher at the bottom of the streets.
Keywords: air quality, numerical modeling, road traffic, emissions, urban area, primary and secondary pollutants
De nombreuses personnes étant exposées à de fortes concentrations de polluants atmosphériques en milieu urbain, il est important d’en comprendre les sources et les processus de formation. La modélisation est un outil efficace pour cela. Cette thèse porte sur la compréhension par modélisation des processus physiques et chimiques influençant la qualité de l'air intérieur et extérieur à l'échelle locale.
Dans un premier temps, la qualité de l’air dans une rue urbaine est modélisée avec l’outil de mécanique des fluides numérique (CFD) code_saturne, couplé au module de chimie atmosphérique et de dynamique des aérosols SSH-aerosol. La rue canyon est modélisée en 2D, et l’étude porte sur une période de 12 heures. Les concentrations simulées de NO2 et de PM10 se comparent bien aux mesures expérimentales lorsque la chimie atmosphérique et la dynamique des aérosols sont prises en compte. Cependant, la concentration de carbone suie est sous-estimée, probablement en partie à cause de la sous-estimation des émissions hors échappement. Les concentrations des composés secondaires des particules sont fortement influencées par la dynamique des aérosols. Notamment, l'ammoniac émis par le trafic favorise la formation de particules inorganiques et organiques hydrophiles.
Dans un second temps, pour étudier l'impact des arbres dans la rue, des arbres sont ajoutés dans la rue canyon 2D. L'impact aérodynamique des couronnes d'arbres augmente significativement la concentration des polluants émis par le trafic. Le dépôt sec sur les surfaces des feuilles n'est important que pour les composés très solubles comme HNO3ou peu volatils. Les émissions de composés organiques volatils (COV) par les arbres influencent peu la formation des condensables, sauf en cas de vent faible. Néanmoins, la production de certains composés organiques extrêmement peu volatils par autoxidation est élevée, ce qui pourrait favoriser la formation de particules ultrafines.
Finalement, la qualité de l'air intérieur dans un stade fermé est étudiée à l’aide d’un modèle 0D (H2I). Le taux d'échange intérieur-extérieur et le facteur de filtration du modèle sont déterminés à partir des concentrations de carbone suie mesurées à l'intérieur et à l'extérieur en utilisant une transformation de Fourier. Les variations temporelles des concentrations d'O3 et de NOx en air intérieur sont correctement simulées, mais les concentrations de NO sont sur-estimées et celles d'O3 de NO2 sous-estimées. Des tests de sensibilité sont effectués afin de déterminer les paramètres physiques prégnants du modèle qui pilotent ces concentrations. L’impact des réactions de surface est limité, car le ratio entre la surface et le volume du stade est faible comparé à des environnements intérieurs plus petits. La prise en compte des COV favorise la conversion du NO en NO2 et réduit la sous-estimation du NO2. La photolyse influence aussi fortement les concentrations, avec un fort impact du vitrage.
En écho à la première partie de la présentation, les questions posées par la mise en place de simulations pour l'analyse de l'impact des émissions d'ammoniac sur la formation de particules seront abordées en s'appuyant sur les résultats du projet Ammon et des comparaisons aux observations OASIS.
https://osu-efluve.u-pec.fr/presentation/actualites/15emes-rencontres-scientifiques-de-losu-efluve
Lya Lugon est une lauréate du prix de thèse des ponts 2022 (Grand prix) pour sa thèse « Modélisation de la qualité de l’air dans les rues de Paris »
https://ecoledesponts.fr/le-prix-de-these-des-ponts-2022
Independent and joint multifractal characterization of atmopsheric variability in real and controlled environments
Caractérisation multifractale indépendante et conjointe de la variabilité atmosphérique en environnement réel et contrôlé
by Jerry JOSE, École des Ponts ParisTech (ENPC)
with
• Laboratory of Hydrology Meteorology & Complexity (HM&Co) &
• Centre d’Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique (CEREA)
PhD thesis defence committee:
• Referee, Marie-Claire TEN VELDHUIS, Delft University of Technology
• Referee, Martin OBLIGADO, Université Grenoble Alpes
• Examiner, Li-Pen WANG, National Taiwan University
• Examiner, Denis MARO, Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire
• Examiner, Ioulia TCHIGUIRINSKAIA, École des Ponts ParisTech
• Thesis Co-director, Yelva ROUSTAN, École des Ponts ParisTech
• Thesis Co-director, Auguste GIRES, École des Ponts ParisTech
• Thesis Director, Daniel SCHERTZER, École des Ponts ParisTech
22/03/2023 13:30 - Room B 004, ENPC
Lya Lugon est une lauréate du prix de thèse de l'Université Paris-Est pour l'École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
Titre : Modélisation de la qualité de l’air dans les rues de Paris
Résumé:
La caractérisation d'écoulements d'air intérieur est un enjeu d'importance dans un contexte social et réglementaire visant à optimiser la consommation énergétique et le confort thermique dans le bâtiment. Parallèlement, la qualité de l'air intérieur est responsable de milliers de décès dans le monde et suscite l'intérêt croissant de la communauté scientifique et les institutions; la crise épidémique liée au virus SARS-COVID 19 souligne l'utilité des études de milieux confinés.Dans ce but, la simulation est un outil efficace pouvant reproduire de manière fiable l'écoulement considéré et de manière moins coûteuse comparée à l'expérimental. Cette thèse se focalise sur le développement d'un outil numérique pour les simulations aérauliques à l'échelle locale (Computational Fluid Dynamics, CFD). Ce dernier a pour but d'être appliquée dans des études de milieux intérieurs allant du résidentiel (aide à la maîtrise d'oeuvre, étude de qualité d'air intérieur) à l'industriel (sûreté des centrales nucléaires, ventilation d'enceintes sportives).Après avoir posé le contexte et les enjeux liés à l'aéraulique dans le premier chapitre, l'identification des phénomènes physiques caractérisant l'écoulement d'air intérieur et le choix des équations à utiliser sont présentés dans un second chapitre.Au troisième chapitre, pour répondre aux enjeux de modélisation, un schéma volumes finis d'ordre 2 en temps pour les écoulements à densité variable est proposé, pour des solutions régulières et discontinues. Développé pour l'air sec tout d'abord, le schéma est implémenté dans le logiciel CFD sous licence libre code_saturne. Ce dernier rentre dans la famille des theta-schéma de type prédiction correction. Le second ordre en temps est atteint grâce à une localisation de variables décalées. De plus, l'énergie totale est conservée grâce à la résolution de l'équation de l'énergie interne complétée par un terme source dérivé de l'équation discrète de l'énergie cinétique. Enfin, la variation de pression est prise en compte en linéarisant l'équation d'état, ce qui conduit à une équation d'Helmholtz à résoudre pour la pression. Les termes liés à cette dernière sont implicités, menant à des calculs plus rapides tout en évitant toute contrainte de type CFL liée aux ondes acoustiques. Après une analyse numérique menant à des nouvelles contraintes de stabilité, le schéma en temps est vérifié et validé par de nombreux cas allant de zéro à trois dimensions et du régime incompressible au compressible, représentatifs des enjeux de modélisation aérauliques. Des simulations turbulentes d'ordre un et deux (RANS, LES) sont également réalisées.Le quatrième chapitre présente des développements complémentaires dans permettant d'étendre le schéma à l'air humide avec changement de phase. L'équilibre thermodynamique est considéré et la fraction massique d'eau, sous forme gazeuse et liquide, est transportée. Dans le but d'utiliser les équations choisies auparavant, le changement de phase est traité en utilisant la méthode de Newton à partir de l'énergie interne résolue. De la même manière, une analyse numérique et des vérifications sont réalisées. Des nouvelles conditions CFL sont également étudiées. Enfin, dans le cinquième chapitre, l'outil numérique est appliqué pour pour caractériser l'écoulement d'air intérieur au sein du Stade Pierre de Coubertin dans le cadre des jeux olympiques 2024 de Paris. Le maillage numérique est créé à partir d'un nuage de points issu de mesures de scanners 3D. Des premières simulations mènent à l'identification de zones d'intérêt dynamiques et thermiques et à la création d'un protocole expérimental pour une campagne de mesures. S'en suit une validation du schéma dans le but de reproduire l'évolution de la concentration de particules lors de la finale de la ligue de Handball française, lors de laquelle un pic de PM10 a été mesuré.
Les écoulements à surface libre peuvent présenter des aspects très différentes dans l'environnement et l'industrie. Il peut s'agir d'une surface tranquille, régulière mathématiquement parlant, avec des vagues dont on peut vouloir extraire de l'énergie renouvelable, ou encore d'une surface, lisse également, d'une piscine s'évaporant suite à une défaillance des pompes de recirculation, ou enfin d'un écoulement dans un déversoir de barrage avec une surface libre vraiment perturbée et complexe dans sa forme et sa topologie. Les approches lagrangiennes et / ou eulériennes peuvent être utilisées pour résoudre les équations discrétisées de Navier-Stokes avec une surface libre.
Parmi les méthodes lagrangiennes, l'hydrodynamique des particules lissées (en anglais « Smoothed Particule Hydrodynamics » SPH) est une méthode numérique sans maillage idéale pour simuler des phénomènes potentiellement violents de surface libre très déformée tels qu'une vague déferlante ou un déversoir de barrage pour lequel de nombreuses méthodes eulériennes peuvent être difficiles à appliquer.
Les écoulements à surface libre réguliers peuvent également être traités avec la méthode des volumes finis sur maillage déformable avec une approche arbitrairement lagrangienne eulérienne (ALE), où les faces de surface libre du maillage se déplacent de sorte que la condition aux limites cinématique soit vérifiée.
Le premier chapitre a pour objectif de présenter les méthodes volumes finis ALE et SPH et d’en établir des liens.
Pour SPH, la gestion des conditions aux limites (murs et frontières ouvertes) est l'une des parties les plus difficiles car elle est déclarée comme l'un des grands défis de l'organisation internationale représentant la communauté des chercheurs et des utilisateurs industriels de l'hydrodynamique des particules lissées (SPHERIC). Concernant les murs, nos travaux suivent l’approche semi-analytique, introduite au chapitre 2, qui consiste à renormaliser la masse volumique près d'un mur plein par rapport à la zone de support de noyau manquante. La partie SPH de ce travail étend cette méthodologie semi-analytique, où des opérateurs de gradient et de divergence intrinsèques qui garantissent des propriétés de conservation sont employés. La précision du champ physique telle que la pression à côté des murs est considérablement améliorée, et la manière cohérente de prise en compte des parois développée pour les opérateurs nous permet d'effectuer des simulations avec des modèles de turbulence.
Une formulation axisymétrique avec un facteur de renormalisation unifié prenant à la fois la correction radiale et la renormalisation de la paroi est proposée en annexe.
Le chapitre 3 traite des frontières ouvertes pour l'approche SPH avec la résolution d'un problème de Riemann associé au cadre SPH compressible hyperbolique utilisé. La discrétisation de la frontière en éléments de surface (segments en 2-D) et en sommets est adéquate pour faire entrer les particules progressivement afin qu'aucune onde de pression ne soit créée par la libération de nouvelles particules fluides. Quelques autres aspects sur SPH dont l’intégration du facteur de renormalisation sont présentés en annexe.
Le chapitre 4 présente l'algorithme volumes finis ALE développé dans le code open-source massivement parallèle code_saturne. Un mélange original de schéma numérique basé sur les cellules utilisé pour obtenir la conservation de la masse et de la quantité de mouvement sur chaque volume de contrôle de cellule et un schéma basé sur les sommets basé sur l'approche des opérateurs discrets compatibles (CDO) est présenté avec un soin particulier sur la condition à la limite de la surface libre aussi bien du point de vue du fluide que du déplacement du maillage. Différents cas de test de vérification et de validation sont présentés. La discrétisation spatiale d'une équation de Poisson, utilisée pour l'étape de correction de masse dans l'approche des volumes finis ALE, est présentée en annexe.
Free-surface flows have various natures in the environmental and industrial contexts. It may be a gentle mathematically regular surface with waves from which one may want to extract renewable energy, or an also smooth surface of an evaporating pool in case of recirculating pumps deficiency, but also a flow down a spillway with a really disturbed free-surface. Lagrange and/or Euler approaches can be used to solve the discretised Navier-Stokes equations with a free-surface.
Among the Lagrangian methods, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a mesh-less numerical method ideal for simulating potentially violent free-surface phenomena such as a wave breaking, or a dam-break for which many Eulerian methods can be difficult to apply.
Gentle free-surface flows can also be tackled with the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) mesh-based Finite Volumes method, where the free-surface faces of the mesh move so that the kinematic boundary condition is fulfilled.
The first Chapter is made to introduce SPH and ALE Finite Volumes and to draw links between the two methods.
For SPH, dealing with boundary conditions (walls and open boundaries) is one of the most challenging parts as it is declared as one of the Grand Challenges of the international organisation representing the community of researchers and industrial users of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPHERIC). Concerning walls, the proposed methodology introduced in Chapter 2 relies on the semi-analytical approach which consists in renormalising the density field near a solid wall with respect to the missing kernel support area, and intrinsic gradient and divergence operators that ensure conservation properties are employed. The accuracy of the physical field such as the pressure next to walls is considerably improved, and the consistent manner developed to wall-correct operators allows us to perform simulations with turbulence models
An axisymmetric formulation with a unified renormalisation factor taking both radial correction and wall renormalisation is proposed as an extension of this work in Appendix.
The third Chapter deals with open-boundaries for the SPH approach with the resolution of a Riemann problem associated to the hyperbolic compressible SPH framework used. The discretisation of the boundary in surface elements (segments in 2-D) and vertices is adequate to make particles enter progressively so that no pressure wave are created by the release of new fluid particles. Some details or how to integrate the geometrical renormalisation factor used in the SPH boundary conditions is presented in Appendix. The fourth Chapter presents the ALE Finite Volumes algorithm developed in the massively parallel open-source code code_saturne. An original mixing of cell-based numerical scheme used to get conservation of mass and momentum on each cell control volume and a vertex-based scheme based on the Compatible Discrete Operators (CDO) approach is presented with a particular care on the free-surface condition both on fluid and mesh-displacement. Various verification and validation test cases are presented. Space discretisation of a Poisson equation, used for the mass correction step in the ALE Finite Volumes approach, is presented in Appendix.
Un fort développement de la filière énergie solaire est prévu pour les prochaines années en France et dans le monde. Une modélisation précise du rayonnement solaire est nécessaire pour minimiser les incertitudes sur l’estimation du productible de futures fermes et optimiser leur conception. Cependant, le rayonnement solaire au sol est fortement influencé par plusieurs paramètres géographiques, météorologiques et atmosphériques, dont notamment les caractéristiques des nuages, et celles des aérosols. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la modélisation du rayonnement solaire, en mettant l’accent sur celles dues à la présence de nuages et d’aérosols. Des améliorations ont d’abord été apportées au modèle de rayonnement 1D du logiciel CFD Code Saturne. Ce modèle estime dorénavant le rayonnement global, direct et diffus, en prenant en compte l’impact des gaz atmosphériques, des aérosols et des nuages. Les simulations sont effectuées au SIRTA, observatoire atmosphérique en Ile-de-France, et comparées aux mesures de rayonnement effectuées dans cet observatoire. Une bonne estimation du rayonnement en ciel clair est obtenue en prenant en compte la présence d’aérosols dont les propriétés optiques sont estimées grâce à un chaînage avec la plateforme Polyphemus. Les nuages conduisent notamment à une forte atténuation du rayonnement et ils sont très complexes à modéliser en raison notamment de leur forte variabilité spatio-temporelle. Afin d’améliorer la modélisation en ciel nuageux, le modèle est couplé aux mesures sur site pour déterminer les propriétés optiques des nuages (épaisseur optique, fraction nuageuse). Différents tests de sensibilité sont conduits afin de mieux comprendre l’impact de ces propriétés et les instruments utilisables pour les mesurer. L’analyse de la comparaison entre rayonnement mesuré et calculé (réalisée pour le rayonnement global et sa composante directe) est basée à la fois sur des scores statistiques globaux et sur une étude détaillée des causes possibles des erreurs les plus importantes. Un second axe de la thèse a consisté à appliquer et valider ce modèle de rayonnement sur à un cas bien documenté de brouillard radiatif au SIRTA (campagne Paris-Fog) évoluant en stratus bas après sa dissipation. L’accent est porté sur la prise en compte des aérosols et notamment du carbone suie dans la composition des gouttelettes lors de la phase de dissipation, ainsi que sur l’hypothèse considérée pour la fraction nuageuse. Dans un troisième axe, des améliorations sont apportées au modèle de rayonnement 3D de Code_Saturne pour la prise en compte des aérosols et nuages et en vue de son application à la modélisation d’une ferme PV. Une vérification du comportement du modèle est faite sur un cas d’interaction avec un obstacle, avec des comparaisons entre les résultats des modèles 1D et 3D.
Abstract
A strong development of the solar energy sector is expected for the coming years in France and around the world. An accurate prediction of the amount of solar irradiance reaching the ground is necessary to optimize the performance of photovoltaic (PV) farms and to forecast the production at different time scales. However, the amount of solar irradiance reaching the ground is influenced by different geographical, meteorological and atmospheric parameters, including the characteristics of clouds and aerosols. The objective of this thesis is to improve the modeling of solar irradiation, by focusing on the impact of clouds and aerosols. Improvements have been made to the standalone 1D irradiance model of the CFD software Code_Saturne. The model now estimates the total solar irradiance and its direct and diffuse components taking into account clouds, aerosols and absorption by minor gases. Simulations are conducted and compared to measurements at the French SIRTA observatory (instrumental site for atmospheric remote sensing research), located in Palaiseau, Ile-de-France. Satisfactory results are obtained during clear-sky days when considering the impact of aerosols which optical properties are estimated by coupling our model to the Polyphemus platform. Clouds have a strong influence on the amount of solar irradiance reaching the ground, they have large spatio-temporal variations and are difficult to model. The estimation of irradiance during cloudy-sky days is improved by coupling the model to on-site measurements of cloud parameters (cloud optical thickness, cloud fraction) from the SIRTA observatory. A sensitivity analysis on the cloud parameters is performed in order to better understand and quantify the influence of these parameters on the simulated irradiance (global and direct), and to identify the data sources that minimize the prediction error. Moreover, hourly values of solar fluxes are analyzed to determine and physically understand the causes of the largest errors between model and measurements when measured cloud parameters are used. The second part of the thesis consisted in applying and validating the model on a well-documented case of a radiative fog at the SIRTA (ParisFog campaign), where the fog evolves into a low stratus cloud. Special attention is given to the impact of aerosols concentration and of the presence of black carbon in cloud droplets on the dissipation of the fog as well as the hypothesis used for the cloud fraction. In the third part, further improvements are implemented in the 3D irradiation scheme in order to take into account the aerosols and clouds and for its application to PV farms. This 3D model is applied to a case of interaction with an obstacle, and results are compared to those obtained with the 1D scheme.
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