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ENRésumé
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.
