Introduction : principe général de la méthode

III.1.1.1. Analyse du problème et hypothèses de départ

La base de données permet de rassembler les écoulements précalculés par la CFD. Ces derniers seront utilisés par le code de dispersion pour assurer le suivi de polluants sur un site quelconque. Pour décrire et construire la base de données, nous avons alors besoin d’un inventaire des variables du problème de façon à pouvoir représenter un panel le plus large possible de situations sur le site étudié. Ces variables sont de différentes natures et peuvent se regrouper en trois grandes familles :

• les paramètres géométriques décrivant le site modélisé (rugosité du site, implantation des bâtiments, etc.) ;

• les paramètres météorologiques qui permettent de représenter une couche limite atmosphérique de surface (vitesse de vent, direction, état de stabilité, etc.) ;

• les paramètres qui permettent de caractériser les différentes sources de polluant que l’on peut trouver sur le site modélisé (position de la source, température de rejet, surhauteur, etc.).

Les paramètres géométriques peuvent être considérés comme fixés sur un site donné. En supposant (Cf. paragraphe III.1.2) que les conditions météorologiques peuvent être décrites par un nombre fini de paramètres, il est alors possible d’envisager la construction d’une base de données d’écoulements sur le site étudié pour différentes conditions météorologiques. La mise en mémoire de ces écoulements constituera alors la base de données. En amont de la situation opérationnelle, les caractéristiques des sources ne sont pas connues et ne peuvent, par conséquent, être prises en compte lors de la création en amont des différents champs

d’écoulement sur le site. Ainsi, l’ensemble des paramètres décrivant avec précision une source de polluant, seront implémentés dans le code de dispersion. On peut donc faire l’hypothèse de s’affranchir de ces paramètres liés aux sources, et développer la base de données sur les seuls paramètres météorologiques. Cette hypothèse qui permet de s’affranchir de la prise en compte par la CFD de l’ensemble des sources potentielles sur un site industriel est discutable et demeure une question ouverte non résolue dans ce travail. En effet, il est à noter que la présence des sources (influence de la géométrie) et l’écoulement engendré par le rejet (effet de jet, surhauteur, etc.) doit avoir un effet sur l’écoulement général modélisé par la CFD qui ne peut être pris en compte par notre méthodologie. Il serait alors intéressant de quantifier les effets des sources sur l’écoulement général et voir leurs influences sur la dispersion. Dans la suite de ce travail, nous avons négligé cette déformation des lignes de courants au voisinage des sources et considéré un rejet directement influencé par le champ de vent précalculé dans le domaine étudié.

Cette analyse sur les différents paramètres du problème nous a permis de développé la méthodologie Flow’Air-3D (Figure 13 ) que l’on rappelle ici de manière à bien resituer le rôle de cette base de données (en vert) au cœur de l’approche développée au cours de ce travail.

Logiciel « CFD temps réel » Sélection et interpolation dans

la base de données

Champ d’écoulement interpolé

Modèle de dispersion lagrangien

Résultats Champ de concentration Constitution de la base Calculs CFD « offline » pour un espace de paramètres Base de données de simulations Données d’entrée Paramètres météo du moment

III.1.1.2. Axes de recherches induits par la méthodologie

On rappelle que l’objectif de cet outil est de réaliser la dispersion atmosphérique d’un polluant sur un site industriel et en temps réel. Au chapitre précédent, nous avons présenté la méthodologie nécessaire pour représenter un écoulement dans une couche limite de surface pour n’importe quel état de stabilité atmosphérique. Le but recherché lors de la création de la base de données est, dans un premier temps, de mettre en mémoire les différents champs d’écoulements simulés au préalable par un code CFD, pour différentes conditions météorologiques de manière à faire abstraction des longs temps de calcul inhérents à la CFD. Le deuxième point est de pouvoir retrouver, par sélection et interpolation de ces champs préenregistrés, un état atmosphérique particulier sur le site en question.

Dans cette partie nous allons détailler tout ce qui est sous-jacent à la démarche de création de base de données, à la sélection et à l’interpolation des champs de vent. Il faudra par conséquent :

• déterminer les paramètres nécessaires pour représenter un état atmosphérique représentatif des conditions extérieures au site étudié (état de référence) ;

• identifier et tenter d’en réduire le nombre, car la taille de la base de données dépend directement du nombre de paramètres que l’on désire prendre en considération ;

• ces paramètres étant des variables continues, alors que la base de données demande une vision discrète de ces paramètres, il faudra trouver une discrétisation optimale de ces derniers ;

• déterminer et quantifier l’erreur commise dans cette étape d’interpolation.

III.1.1.3. Recherche bibliographique sur des approches équivalentes

La création d’une base de données de champs de vent précalculés pour représenter les différentes situations météorologiques sur un site déterminé est une approche peu étudiée dans la littérature et les différents points d’études proposées au paragraphe précédent ne trouvent pas de solutions dans les divers articles traitant du sujet.

Seuls quelques auteurs se sont penchés sur cette méthode de modélisation mais sans fournir de détails précis sur les réflexions entourant la création de leur bibliothèque de champs de vent : choix des paramètres, méthodes d’interpolation, intervalles de discrétisation.

On peut cependant citer une étude de Bernhardt et al., (2009) qui propose une approche similaire à notre méthodologie, appliquée au transport de la neige sur des domaines montagneux où le relief joue un rôle prépondérant dans la définition des différents paramètres du modèle. Dans leur approche, ils utilisent une base de données de champs de vent pour recréer les conditions atmosphériques du site étudié et fournir alors les données nécessaires à un modèle de transport de neige. Dans leur cas, les conditions météorologiques sont calculées par un modèle météorologique à grande échelle et les paramètres utilisés pour décrire la base de données sont la direction du vent et sa vitesse. Ils proposent une discrétisation tous les 5°

pour la direction du vent et deux vitesses de références. Cependant, aucune indication n’est fournie sur la raison de leur choix de discrétisation, ainsi que sur les méthodes d’interpolation entre les cas enregistrés dans la base de données.

Un autre exemple de l’utilisation d’une base de données précalculée est présenté dans l’étude de Coirier et al., (2006) Ils proposent dans cet article de créer une base de données représentative des écoulements atmosphériques en milieu urbain à partir d’un code de calcul CFD. Les champs de vent ainsi précalculés, sont ensuite utilisés à des fins de comparaison avec des données expérimentales. Là encore le choix des paramètres à prendre en compte et le pas de discrétisation choisi par les auteurs ne comportent pas d’explication physique. Dans leurs études, ces derniers proposent de créer une base de données à partir de la direction du vent, discrétisée tous les 30° et de la vitesse de frottement découpée en pas de 0,1 m.s^-1, à partir de situations neutres. Aucune autre indication n’est fournie quant à des études de sensibilité sur le pas de discrétisation ou sur les méthodes d’interpolation.

On trouve aussi dans la littérature, un code de calcul qui utilise une base de données de champs de vent calculé de manière diagnostique. Ce code AUSTAL2000 (Janicke, U. et Janicke, L., 2004) utilise ce champ de vent afin de faire évoluer un code lagrangien de dispersion, se rapprochant ainsi de notre méthodologie. Là encore, peu d’informations sont disponibles dans la littérature (Janicke, 2009).

Finalement, cette approche de base de données, commence à être utilisée dans différents domaines, avec pour but principal de représenter un grand nombre de situations météorologiques (Smith et al., 2002 ; Boris, 2004). Cependant, il manque dans ces travaux une réflexion physique sur les grandeurs à prendre en compte ou sur les pas de discrétisation de ces dernières. On ne retrouve pas d’étude de sensibilité au pas de discrétisation dans la littérature.

Par conséquent, on se propose dans ce travail de thèse, de mettre en place une justification théorique sur le choix des éléments que nous implémenterons dans la base de données que nous créerons. De plus, divers paragraphes seront employés à tester l’influence du pas de discrétisation choisi pour les diverses variables ainsi que les méthodes d’interpolation au sein de la base de données. Cette partie consacrée à la base de données permettra alors de constituer un début de réflexion sur les bases de données. Les justifications détaillées au cours des paragraphes, permettront alors d’envisager l’utilisation de cette méthodologie à des cas plus compliqués tels que l’utilisation de l’outil sur des sites à géométrie complexes telles que les raffineries.

III.1.2. Choix d’un système de paramètres décrivant les conditions