Caractéristiques des différents modèles de dispersion atmosphérique

Il existe déjà sur le marché et dans la littérature de nombreux codes qui permettent le calcul de la dispersion atmosphérique et qui peuvent être utilisés pour la surveillance de sites industriels. Ces outils possèdent des caractéristiques bien spécifiques de manière à être optimum dans le rôle pour lequel ils ont été développés. Nous allons dans cette partie présenter les différentes approches existantes de modélisation de la dispersion, ainsi que leurs principales caractéristiques afin de voir s’il existe d’ores et déjà un modèle permettant de répondre complètement ou en partie à la problématique de TOTAL.

I.3.2.1. Différentes approches pour modéliser l’écoulement et la dispersion

L’ensemble des codes de calcul de dispersion atmosphérique repose sur le principe que le polluant est entrainé par un écoulement moyen (vent) auquel s’ajoute un phénomène de dispersion, ce dernier étant la conséquence principale du caractère turbulent de l’atmosphère. Par conséquent, pour assurer la représentation de ces deux phénomènes, les codes adoptent une première stratégie pour prendre en compte l’écoulement moyen du vent et une seconde pour représenter la dispersion. Nous avons vu au paragraphe I.2.5 qu’il existe deux grandes méthodes pour modéliser la dispersion de polluant : l’approche eulérienne et l’approche lagrangienne. Chacune de ces méthodes de représentation de la dispersion atmosphérique possède ses avantages et ses inconvénients (Cf. paragraphe suivant) et sont donc choisies en fonction de l’utilisation que l’on prévoit pour le code développé. L’autre aspect pour représenter la dispersion atmosphérique dans son ensemble est de modéliser le champ de vent moyen sur lequel s’appuie la dispersion. Là encore, il existe diverses approches en fonction des objectifs opérationnels du code développé. Le champ de vent moyen peut être issu de profils analytiques (fonctions déterminées par la théorie de Monin-Obukhov et représentant l’évolution verticale des différents paramètres de la CLS, tels que la vitesse, la turbulence), de champ de vent reconstruit à partir de données météorologiques ou issu de calculs eulériens (utilisation de la CFD).

Dans le Tableau 2 sont récapitulées les différentes manières de modéliser ces deux aspects que sont le champ de vent moyen et la dispersion.

Modélisation de l’écoulement Modélisation de la dispersion atmosphérique

Profils analytiques (déterminés par la théorie de similitude de Monin-Obukhov)

Approche eulérienne

(Modèles à panaches gaussiens, à bouffées gaussiennes, ou modèles numériques eulériens)

Modèles diagnostiques Approche lagrangienne

Modèles CFD

I.3.2.2. Les différents modèles de dispersion atmosphérique

Les modèles gaussiens (ADMS (Carruthers et al., 1994 ; ADMS 3 User guide, 1999), Aria Impact, TRAMES (www.record-net.org), etc.) : Ils sont basés sur des solutions analytiques

de l’équation d’advection-diffusion (Cf. équation I.2.45). On distingue les modèles de panache gaussien et les modèles à bouffées gaussiennes. Dans ce type de modèles, la plupart des processus de dispersion et des processus physico-chimiques sont pris en compte à l’aide de paramétrisations spécifiques, sans résolution des équations. Ces modèles sont bien adaptés à des études opérationnelles (calcul en temps réel, étude d’impact) car ils nécessitent des temps de calculs limités et permettent ainsi l’étude d’un grand nombre de cas. Les temps de calcul sont de l’ordre de quelques secondes par scénario pour des échelles kilométriques permettant ainsi de modéliser la dispersion sur un site industriel et ses alentours. L’ensemble des géométries complexes ne sont pas prise en compte, ne permettant pas la représentation des effets des bâtiments sur la dispersion. En effet, du fait de la prise en compte empirique de l’écoulement, ces modèles sont difficilement utilisables dans des situations d’écoulement très compliqué, lorsque l’on prend en considération par exemple le relief ou des obstacles multiples.

Figure 9 : Exemple d’utilisation d’ADMS sur la raffinerie de Normandie

Les modèles lagrangiens (MSS (Aria Technologies), FLEXPART, HYSPLIT, etc) : Ils

sont basés sur le calcul des trajectoires turbulentes d’un grand nombre de particules représentant le polluant. Ils sont généralement couplés à un modèle eulérien qui calcule le champ de vent et de turbulence dans lequel s’effectue la dispersion. Ce calcul de l’écoulement peut être simplifié autour des bâtiments pour garder des temps de calculs acceptables. Ils permettent essentiellement de prendre en compte la dispersion et s’adaptent plus difficilement à la description de processus physico-chimiques. Ils peuvent être utilisés pour des études d’impact mais les calculs d’écoulement par l’approche eulérienne ne leur permet pas d’assurer des simulations en temps réel. Les résultats obtenus avec cette approche sont généralement bien adaptés au champ proche des sources, mais la description simplifiée des bâtiments ne permet pas de prendre totalement en compte toute la complexité géométrique d’un site industriel. De plus, ils ne sont pas adaptés pour traiter un grand nombre de sources (temps de calcul très important).

Figure 10 : Exemple d’utilisation du modèle lagrangien MSS (Aria Technologie) sur la raffinerie de Normandie

Les modèles CFD (Computational Fluid Dynamics, FLUENT 6.3 (Doc FLUENT 6.3), StarCD, MERCURE (Doc. MERCURE), etc.) : Ils sont basés sur une résolution numérique

de l’équation d’advection-diffusion sur un maillage de l’espace. Ils sont couplés à un modèle eulérien qui détermine le champ de vent en résolvant les équations de Navier-Stokes (souvent sur le même maillage). Ils permettent alors d’obtenir un écoulement précis autour d’obstacles complexes ainsi que l’évolution de la concentration en champ proche sur un site industriel. C’est l’approche la plus complète, en termes de détermination de champs de vent, mais les temps de calcul (de l’ordre de l’heure, Cf. Tableau 25) font qu’ils ne sont pas adaptés à des simulations en temps réel, les rendant difficilement compatibles à des études opérationnelles.

Figure 11 : Exemple d’utilisation de FLUENT 6.3 sur la raffinerie de Donges : Panaches

Figure 12 : Exemple d’utilisation de FLUENT6.3 sur la raffinerie de Donges : Vecteurs vitesse

I.3.2.3. Conclusion

Au bilan, le besoin exprimé au paragraphe I.3.1 est de réaliser la surveillance d’un site industriel en temps réel et à une échelle permettant la prise en compte la plus précise possible des obstacles complexes d’un site industriel. Aujourd’hui, les différents outils de modélisation de la dispersion atmosphérique peuvent difficilement répondre à ce cahier des charges. En effet les modèles gaussiens permettent d’assurer des temps de calcul de l’ordre de quelques secondes pour effectuer la dispersion d’un polluant mais en contre partie, le niveau de détail utilisé pour représenter les géométries du site étudié n’est pas suffisant pour satisfaire la contrainte du champ proche. A l’inverse, les codes de calcul lagrangien ou CFD peuvent assurer un niveau de détail de l’ordre du mètre pour représenter les différentes unités d’une raffinerie, mais cela implique de lourd temps de calcul. La contrainte « temps réel », n’est alors pas respectée. En conclusion, il n’existe pas aujourd’hui sur le marché de code de calcul commercial adapté à la problématique de TOTAL.

Par conséquent, l’objectif de cette thèse est de combler ce manque en trouvant une méthodologie et en développant un code de calcul permettant d’assurer le suivi de polluant sur un site industriel en temps réel et en représentant au mieux la complexité des obstacles présents.