Description du protocole

Description du combustible

Pour les études réalisées dans cette sous-partie, nous avons utilisé les caractéristiques physiques classiques pour les écosystèmes à pin d’Alep et à pin Maritime (Tableau 3.6). Une strate arbustive de 50 cm de haut et de densité de 1 kg.m-3 compose le sous-bois de l’écosystème, alors que les strates de pins, élaguées à 4.75 m, ne varient que par leur densité et leur rapport surface/volume.

Le domaine de calcul est représenté Fig. 3.18. Les dimensions horizontales du domaine pour ces séries de simulations sont de 640 m×320 m. Il se compose de deux zones témoins correspondant à une canopée non traitée, respectivement de 240 et 200 m séparée par une coupure de combustible de 200 m de large.

Le combustible des canopées dans les zones témoins présente les caractéristiques spatiales suivantes : une taille caractéristique d’hétérogénéité de 4 m (diamètre des arbres individualisés) pour un recouvrement de 75 %, ce qui correspond à peu près aux recouvrements maximaux observés dans ce type d’écosystèmes (sauf forêts plantées de pin Maritime). Ceci conduit à des LAI élevés de 7.2 pour les parties témoins des forêts de pin Maritime (Pm) et de 2.9 pour celles de pin d’Alep (Pa).

La zone de coupure diffère des zones témoins par une réduction du combustible de la canopée de pins. Le recouvrement en zone traitée varie de 0 à 75 % (de Het0 à Het75) et les tailles de bosquets d’arbres varient de 4 à 20 m (a, b ou c). Une scène homogène (de Hom0 à Hom75) représente ces mêmes combustibles de manière homogénéisée à l’échelle de la coupure. Ces différentes configurations, ainsi que les densités, charges et LAI qu’elles génèrent sont récapitulées Tableau 3.7.

Caractéristiques des simulations

La résolution horizontale est de 2 m, alors que le maillage est dilaté selon l’axe des z, pour commencer à 1.5 m près du sol et finir à 60 m, à 615 m de haut (toît du domaine). Chaque simulation a été réalisée sur 128 processeurs, avec des conditions périodiques en x et en y.

Un profil logarithmique a été utilisé pour l’initialisation du vent ambiant, soufflant dans le sens de l’axe des x. La vitesse du vent dans ces conditions ambiantes est de 8 m.s-1 à 10 m de haut. Notons que l’usage des conditions périodiques en x permet d’obtenir une zone témoin de 440 m de long, soit 440/12=36.7h. Une telle longueur assure un retour du champ de vitesse à une situation non perturbée de type « zone témoin » aux abords de la coupure. Une comparaison des profils obtenus sur les points P_1,j pour les cas présentant une coupure et pour les cas sans coupure permettra de valider cette hypothèse.

Le (grand) pas de temps utilisé pour ces calculs est dt=0.04 s. Nous avons réalisé 180000 pas de temps de calcul soit un temps réel de 7200 s (2 heures). La première phase de 3600 s (1 heure) sert à la convergence du profil moyen sur toute la hauteur de la couche limite atmosphérique (615 m de haut), alors que la deuxième est utilisée pour réaliser les moyennes temporelles.

a) PaHet25b b) PaHet25c 3 max 0.1 . ; 10 %; 25 = = − = d m kgm C

ρ

3 max 0.1 . ; 20 %; 25 = = − = d m kgm C

ρ

c) PaHet0 d) PaHom25 3 max 0.0 . %; 0 = ⁻ = kgm C

ρ

3 max 0.033 . %; 100 = ⁻ = kgm C

ρ

Fig. 3.19. Quelques configurations utilisées pour le calcul, vues de dessus

Canopée homogénéisée de pins dans PaHom25 (isosurface 0.03 kg.m-3)

Canopée de pins d’Alep (isosurface 0.08 kg.m-3)

Strate arbustive (isosurface 0.5 kg.m-3)

Tableau 3.8. Récapitulatif des différents points échantillonnés dans le domaine

Noms X (m) Y (m) Positionnement

Forêt P1-j 160 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 30h après la fin de la coupure P2-j 264 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 2h dans la coupure

P3-j 288 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 4h dans la coupure P4-j 336 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 8h dans la coupure P5-j 384 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 12h dans la coupure Coupure

P6-j 432 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 16h dans la coupure

P7-j 464 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 2h après la fin de la coupure P8-j 488 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 4h après la fin de la coupure P9-j 536 4j−2 pour j∈

[ ]

1;80 8h après la fin de la coupure Forêt

Sorties de calcul

Des sorties de calcul ont été réalisées toutes les 50 itérations, ce qui représente une sortie toutes les deux secondes (fichiers comp.out). Ces données sont utilisées pour la visualisation des champs tri-dimensionnels, qu’ils soient instantanés ou moyens (moyennes réalisées sur la base de nos données échantillonnées à 0.5 Hz).

Un certain nombre de sorties de calcul ont été extraites. Il s’agit comme dans le cas de la validation (partie 3.2) de données ponctuelles moyennées dans le temps : composantes de la vitesse u,

v et w ; grandeurs turbulentes (tke, flux de moment). Les points échantillonnés sont répartis dans la zone témoin et dans la coupure (Tableau 3.8 et une partie des points Fig. 3.18).

y

a) Composante u de la vitesse b) Composante w de la vitesse

Fig. 3.21. Pmhet75a : vue frontale de l’écoulement incident (plan x=360 m) et des vortex liés aux « streaks ». Les dimensions (y,z) des zones représentées sont de 320m×396m

z

y

Fig. 3.22. Pmhet75a : vue frontale de l’écoulement incident (plan x=360 m) et des vortex liés aux « streaks ». Les dimensions (y,z) des zones représentées sont de 320m×84m

4.3. Résultats

4.3.1. Résultats préliminaires

Les séries de simulations que nous avons réalisées ici mettent en évidence la présence de « streaks ». Avant de décrire plus en avant le phénomène, il convient de préciser que ce phénomène n’avait pas été observé dans les validations présentées au paragraphe 3. Ceci est dû au fait que les simulations de la partie 3 ont été réalisées avec des conditions limites latérales non cycliques (amortisseur de Rayleigh). Ce choix de conditions limites a été dicté par des dysfonctionnements dans la version « latérale cyclique » du code au moment de l’étude de la partie 3. Ces dysfonctionnements ont été corrigés entre cette étude et la précédente. Précisons qu’un certain nombre de tests ont permis de montrer que les deux versions (damping latéral et conditions latérales cycliques) fournissaient des champs moyens très similaires, la principale différence se manifestant par la présence des « streaks ».

Présence de « streaks »

Si l’on observe des champs moyennés y compris sur des périodes longues (Fig. 3.20, moyennés sur 3600 s), on observe une variabilité selon l’axe des y que l’on ne peut attribuer à des effets de l’hétérogénéité de la végétation. En effet, cette variabilité a une périodicité égale à la largeur du domaine et se traduit par un couloir d’écoulement « rapide » (de l’ordre du m/s) et un couloir plus lent (de l’ordre de 0.5 m/s).

y

x

Fig. 3.20. Vue de dessus de la composante u de la vitesse dans l’écosystème pin Maritime à une hauteur de z=9.6 m (moyenne sur 3600 s) d=4m;

ρ

_max =0.5kg.m−3

Cette large structure est en fait associée à la présence de deux tourbillons contra-rotatifs dans le plan

(y,z) (Fig. 3.21). La composante u (Fig. 3.21a) de la vitesse est alors plus élevée dans la partie inférieure de la couche limite de surface pour laquelle la composante w (Fig. 3.21b) est négative. A l’inverse, elle est plus faible dans les zones pour lesquelles celle-ci est positive. L’amplitude maximale de ces vortex se situe dans les 150 premiers mètres de la CLA et leur centre est positionné entre 50 et 100 m de haut. Il convient de noter que l’amplitude de ces tourbillons est faible, puisque les composantes v et w de la vitesse n’excède pas 0.2 m/s, à des hauteurs où la composante u dépasse les 10 m/s.

induisent une modification importante des vents locaux dans la partie basse de la CLA (Fig. 3.22). On observe notamment que les composantes v et w peuvent être non nulles au bas de la canopée.

Par ailleurs, on observe que la présence d’une coupure tend à augmenter l’amplitude des tourbillons sur celle-ci. En effet, si l’on compare le cas témoin PmHet75a correspondant à la canopée sans coupure (Fig. 3.21 et 3.22) au cas de la coupure totale PmHet0 (Fig. 3.23 et 3.24), l’amplitude des vitesses verticales sur la coupure est nettement plus élevée pour atteindre 0.4 m/s.

Comme nous le verrons dans la partie discussion, de telles structures ont déjà été observées à la fois numériquement et sur le terrain, même si leur durée de vie ne coïncide pas avec les observations de terrain.

z z

y y

a) Composante u de la vitesse b) Composante w de la vitesse

Fig. 3.23. Pmhet0 : vue frontale de l’écoulement incident (plan x=360 m) et des vortex liés aux streaks. Les dimensions (y,z) des zones représentées sont de 320m×396m

z

y

Fig. 3.24. Pmhet0 : vue frontale de l’écoulement incident (plan x=360 m) et des vortex liés aux streaks. Les dimensions (y,z) des zones représentées sont de 320m×84m

Validation de l’hypothèse du retour à l’équilibre sur la zone témoin et effet du type d’écosystème sur la zone témoin

La Fig. 3.25 représente les profils moyens obtenus pour la composante u de la vitesse et le flux de moment uw’ pour différentes configuration de végétation (Het0, Het25a, Het25c, Het50a, Het75a). Ces profils sont obtenus sur l’axe x=160m pour la série de points P_1-j (30h après la coupure) et les deux écosystèmes. On observe que les profils de vitesse moyenne obtenus à 30h pour les différentes configurations sont quasi identiques à celui de la configuration témoin sans coupure (Het75a) pour la

Concernant les grandeurs turbulentes (ici le flux de moment), on n’observe également aucune différence dans la canopée (z/h≤1). En revanche, on observe une légère augmentation de la turbulence au toît de la canopée avec la diminution du recouvrement de la canopée sur la coupure. Ce phénomène est dû à la perturbation de la coupure. Des auteurs ont observé ce type de surestimation dans la partie « forêt », lors de l’expérience numérique de validation (partie 3 du présent chapitre). Cette absence de retour total à l’équilibre est attribuée à la longueur insuffisante du domaine. 30h ne permettent pas un retour total à l’équilibre du profil de turbulence. Cependant, les différences avec le cas témoin (Het75a) sont très faibles, voire quasi inexistante dans le cas du pin d’Alep. De plus, notre objectif principal est de comparer des situations où la quantité de végétation sur la coupure est identique, mais allouée de manière plus ou moins hétérogène : notamment les cas Het225, Het525,

Het1025 et Hom25. Dans ces derniers cas les différences sont vraiment négligeables. Nous considérerons donc dans toute la suite que les profils obtenus en x=160 (P₁), correspondent à une situation de référence en canopée homogène. Les profils obtenus (avec les mêmes conditions de vent géostrophique) sont très différents dans les deux écosystèmes. Nous observons que l’écosystème à pin Maritime (dont le LAD est deux fois et demi plus élevé) se caractérise par des vitesses de vent plus faibles dans la canopée et présente une inflexion nettement plus marquée que l’écosystème à pin d’Alep. En particulier, le vent moyen dans la partie basse de la canopée y est beaucoup moins fort.

z/h z/h

a) Composante u de la vitesse (Pin Maritime) b) uw’(Pin Maritime)

c) Composante u de la vitesse (Pin d’Alep) d) uw’ (Pin d’Alep)

Fig. 3.25. Profils de u, et de uw’ dans la zone de forêt dans différentes simulations, où la végétation présente sur la coupure est modifiée

x x

a) PmHet75a :C=75% b) PmHet50a : C=50%

y y

x x

c) PmHet25a : C=25% d) PmHet0 : C=0%

Fig. 3.26. Vue de dessus de la composante u de la vitesse dans l’écosystème pin Maritime à une hauteur de z=9.6 m (moyenne sur 3600 s) d=4m;

ρ

_max =0.5kg.m−3

y

x

a) PaHet75a :C=75% b) PaHet50a : C=50%

x

Représentation bidimensionnelle des effets du recouvrement

La Fig. 3.26 montre des vues de dessus de coupes (xy) de la composante u de la vitesse pour différentes valeurs de recouvrement sur la coupure (de Het0 à Het75). On observe une accélération du vent sur la zone correspondant à la zone de coupure, dont l’amplitude diminue avec le recouvrement. Ce phénomène est beaucoup plus marqué sur la Fig. 3.26d, où la coupure est totale.

On observe la même tendance dans l’écosystème à pin d’Alep, avec des vitesses observées significativement plus élevées dans l’écosystème à Pin d’Alep à recouvrement égal (Fig. 3.27). Par ailleurs, on observe que les coupures qui présentent un certain niveau d’hétérogénéité (Fig. 3.26 et

3.27,a à c), révèlent des patrons de vitesses hétérogènes, avec des zones où le vent est localement plus élevé et qui ne peuvent pas être attribués aux « streaks ». Ces hétérogénéités sont dues à l’hétérogénéité du combustible. Elles diminuent avec le recouvrement. En effet, nous observons qu’elles sont quasi négligeables pour Het75a, mais largement identifiables pour Het25a. Nous reviendrons sur ce point au paragraphe suivant.

Dans le document Modélisation physique de la propagation des feux de forêts : effets des caractéristiques physiques du combustible et de son hétérogénéité (Page 192-200)