Modélisation de la dispersion atmosphérique en présence d'obstacles complexes : application à l'étude de sites industriels

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Sous la direction de Richard Perkins
Thèse soutenue le 12 avril 2011: Ecole centrale de Lyon
La surveillance des émissions de polluants dans l’atmosphère constitue pour les industriels une problématique environnementale de premier ordre. Qu’elles soient ponctuelles (rejet de polluant par une cheminée) ou fugitives (fuites accidentelles de canalisations ou de stockages), la connaissance et la maîtrise de ces émissions est aujourd’hui nécessaire pour quantifier et réduire les cas échéant leur impact environnemental. Dans ce contexte, la modélisation de la dispersion atmosphérique est un outil d’analyse intéressant, permettant la surveillance d’un site industriel et la cartographie des concentrations autour du site. L’objectif de cette thèse était de développer un code de calcul opérationnel assurant le suivi des polluants sur un site industriel, en champ proche (prise en compte de la complexité du bâti) et avec des temps de calcul avoisinant le temps réel. Nous avons, au cours de ce travail de recherche, développé une approche appeléeFlow’Air-3D basée sur la constitution, en amont de toute situation opérationnelle, d’une base de données de champs de vent CFD calculés sur le site industriel étudié. En situation opérationnelle, la dispersion des polluants est modélisée avec un code de dispersion lagrangien, SLAM, également développé dans le cadre de cette thèse. Pour pouvoir mettre en place cette approche Flow’Air-3D, nous avons développé une méthodologie et une paramétrisation spécifique du modèle RANS-k-e pour représenter une couche limite de surface diabatique. Nous avons ensuite identifié les paramètres nécessaires à la construction de la base de données, ainsi que l’influence de la discrétisation et de l’interpolation de ces paramètres sur les champs de vent déterminés par cette approche. Finalement un code de dispersion lagrangien stochastique à particules, utilisant les champs de vent de la base de données, a été développé et partiellement validé sur quelques cas académiques simples (condition de mélange homogène, comparaison à la dispersion d’une bouffée gaussienne, etc.)Des essais en soufflerie, une approche eulérienne (effectuée avec FLUENT 6.3) et une première application de la méthodologie Flow’Air-3D/SLAM ont été menés sur le site pétrochimique de la raffinerie de Feyzin. Les comparaisons effectuées entre ces trois approches montrent le bon comportement du modèle SLAM. Les temps CPU mis en œuvre pour réaliser les calculs de dispersion lagrangien sont encourageants et montrent la faisabilité de notre approche sur un cas applicatif réel.
-Dispersion atmosphérique
-Modélisation
-Sites industriels
-Flow' Air 3D
-Modèle SLAM
-Code de dispersion lagrangien
The monitoring of pollutant’s emissions in the atmosphere constitutes for the industrialists a main environmental issue. That they are punctual (emissions of pollutants by a chimney) or fugitive (accidental releases of drains or storages), the knowledge and the control of these emissions are important data to quantify and reduce their environmental impact. In this context, the modeling of atmospheric dispersion is an interesting tool of analysis for the monitoring of a site and this thesis has permitted the creation of an operational code ensuring the follow-up of pollutants on an industrial site, in close field and with computing times bordering the real time. We have, during this research, developed an approach called Flow'Air-3D consisting to create before any operational situation, a data base of CFD wind fields calculated on the studied industrial site. In operational situation a lagrangian code of dispersion, SLAM, developed in the thesis will ensure calculations of dispersion in a few seconds. To be able to set up this Flow' Air-3D approach, we have developed, during this thesis, a methodology and a specific parameterization of the k-e model to represent the atmospheric boundary layer with a CFD approach. Then, we have identified the parameters necessary to build the data base, as well as the influence of the discretization and the interpolation of these parameters on the wind fields resulting from this base. Finally a lagrangian code of dispersion (SLAM) using the precalculated wind fields of the data base was developed and partially validated on simple academic cases (well-mixed condition criteria, comparison with the dispersion of a Gaussian puff, etc.).Tests in wind tunnel, a eulerian approach (done with FLUENT 6.3) and a first application of the Flow' Air-3D/SLAM methodology were carried out on the petrochemical site of the refinery of Feyzin. The comparisons between these three approaches show the good behaviour of the model SLAM. The CPU times for the calculations of lagrangian dispersion are encouraging and show the feasibility of our approach on a real case.
Source: http://www.theses.fr/2011ECDL0011/document
Publié le : dimanche 6 novembre 2011
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Nombre de pages : 367
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N° d’ordre : 2011-11

Thèse de l’Université de Lyon
présentée devant
L’ECOLE CENTRALE DE LYON et TOTAL
Ecole doctorale MEGA : Mécanique-Energétique

pour obtenir
le titre de DOCTEUR
Spécialité Mécanique

par Florian VENDEL


Modélisation de la dispersion atmosphérique en présence
d’obstacles complexes : application à l’étude de sites industriels


Soutenue publiquement le 12 avril 2011 devant la Commission d’Examen :
Jury : MM. D. Jeandel Président
A. Martilli Rapporteur
A. Robins Rapporteur
R. Perkins Directeur de thèse
O. Duclaux Examinateur
J.-F. Sini Examinateur
L. Soulhac Examinateur

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La Théorie c’est quand ça ne marche pas mais que l’on sait
pourquoi. La Pratique c’est quand ça marche mais qu’on ne sait
pas pourquoi. Quand la théorie rejoint la pratique ça ne marche
pas et on ne sait pas pourquoi.
B. Werber











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Remerciements



Ce travail de thèse est une collaboration entre TOTAL et l’école Centrale de Lyon et
fut réalisé au Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique de l’école Centrale de
Lyon, ainsi qu’au Centre de Recherche de Solaize (TOTAL). Par conséquent, je souhaiterai
remercier le professeur M. Lance et le docteur F-X. Cormerais de m’avoir accueilli au sein de
leur établissement respectif et d’avoir soutenu ce sujet de recherche.
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude au Professeur A. Robins et au Docteur A.
Martilli pour avoir accepté d’être rapporteurs de mon travail de thèse et pour l’analyse qu’ils
ont pu en faire.
Je voudrai aussi remercier les Professeurs D. Jeandel et J-F. Sini pour avoir accepté
d’être membres du jury.
Merci au Professeur Richard Perkins, pour avoir dirigé mes travaux. Je tiens surtout ici
exprimer ma profonde reconnaissance au Docteur Lionel Souhlac pour m’avoir fait confiance
pour ce projet. Mais je souhaiterai aussi le remercier pour les aides précieuses, les conseils
avisés et surtout pour le temps qu’il a consacré aux mystères de la CFD, ainsi qu’aux
traductions du langage Vendel en langage C (bien plus performant). Je ne peux pas clôturer ce
paragraphe de remerciements sans avoir une pensée pour l’équipe TOTAL du CreS. Un grand
merci à mon responsable TOTAL, le Docteur Olivier Duclaux, ainsi qu’à Mr Ludovic
Donnat, sans qui ce travail de recherche aurait été trop « universitaire ». Merci donc à tous les
deux de m’avoir fait connaître les douces contraintes du monde industriel et ses délais (même
si …).
Je voudrai particulièrement remercier Mr Patrick Méjean, sans qui les essais en
soufflerie n’auraient pas été possibles. De part ses conseils avisés et son expérience, j’ai pu
entrevoir le monde expérimental et la magie de l’adimensionnement. Je voudrai aussi
souligner ici sa sympathie pour ne pas s’être trop moqué de ma maquette qui pourtant faisait
pâle figure aux cotés des siennes.
Ces remerciements un peu particuliers m’amènent bien évidemment à adresser ma
profonde reconnaissance à mes compagnons de travail. Mais par qui commencer ? Perrine qui
a bien failli être à ma place ? Guillevic sans qui SLAM ne serait qu’un gros fichier de 10.000
6
lignes de code sans queue ni tête ? Tifix qui propose des sorties concert en plein cœur de la
Croatie dans des cloîtres sombres et lugubres ? ou tous les autres thésards et stagiaires qui
sont passés au cours de ces trois années ? Je pense finalement que je vais remercier tout le
monde d’un coup pour éviter les jaloux. Je me dois tout de même de rajouter une ligne
supplémentaire pour Melle (ou plutôt Md !!) Perrine Volta avec qui j’ai débuté cette thèse
(photos souffleries, chat, cafés, etc.) et sans qui cette dernière aurait été vraiment moins drôle.
Je te souhaite au passage un bel avenir chez Sillages Environnement avec ton acolyte
Catherine.
Ah et j’oubliais pour la communauté italienne du bureau du fond : Grazie Mille.
Il me reste quelques lignes pour remercier, bien évidemment, le CHC, sans qui ces
trois ans auraient été… différents. Promis on gagnera un match cette année !
En dernier lieu, et plus sérieusement, je voudrai remercier du plus profond de mon
cœur mes parents, ma sœur et toute ma famille, pour leur soutient inconditionnel depuis le
début de ma scolarité et qui, durant ces trois dernières années, ont su m’épauler, me conseiller
et m’encourager pour mener à bien ce projet.
Les dernières lignes seront pour Oriane, que je remercie pour sa patience et ses
encouragements (malgré le froid de la région lyonnaise, t’es la meilleure !) qui m’ont permis
d’avancer et d’amener à terme un projet qui me tenait vraiment à cœur.













Des pensées pour Oncle Daniel et Tante Denise…


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Résumé



La surveillance des émissions de polluants dans l’atmosphère constitue pour les
industriels une problématique environnementale de premier ordre. Qu’elles soient ponctuelles
(rejet de polluant par une cheminée) ou fugitives (fuites accidentelles de canalisations ou de
stockages), la connaissance et la maîtrise de ces émissions est aujourd’hui nécessaire pour
quantifier et réduire les cas échéant leur impact environnemental. Dans ce contexte, la
modélisation de la dispersion atmosphérique est un outil d’analyse intéressant, permettant la
surveillance d’un site industriel et la cartographie des concentrations autour du site. L’objectif
de cette thèse était de développer un code de calcul opérationnel assurant le suivi des
polluants sur un site industriel, en champ proche (prise en compte de la complexité du bâti) et
avec des temps de calcul avoisinant le temps réel.
Nous avons, au cours de ce travail de recherche, développé une approche appelée
Flow’Air-3D basée sur la constitution, en amont de toute situation opérationnelle, d’une base
de données de champs de vent CFD calculés sur le site industriel étudié. En situation
opérationnelle, la dispersion des polluants est modélisée avec un code de dispersion
lagrangien, SLAM, également développé dans le cadre de cette thèse.
Pour pouvoir mettre en place cette approche Flow’Air-3D, nous avons développé une
méthodologie et une paramétrisation spécifique du modèle RANS-k-ε pour représenter une
couche limite de surface diabatique. Nous avons ensuite identifié les paramètres nécessaires à
la construction de la base de données, ainsi que l’influence de la discrétisation et de
l’interpolation de ces paramètres sur les champs de vent déterminés par cette approche.
Finalement un code de dispersion lagrangien stochastique à particules, utilisant les champs de
vent de la base de données, a été développé et partiellement validé sur quelques cas
académiques simples (condition de mélange homogène, comparaison à la dispersion d’une
bouffée gaussienne, etc.)
Des essais en soufflerie, une approche eulérienne (effectuée avec FLUENT 6.3) et une
première application de la méthodologie Flow’Air-3D/SLAM ont été menés sur le site
pétrochimique de la raffinerie de Feyzin. Les comparaisons effectuées entre ces trois
approches montrent le bon comportement du modèle SLAM. Les temps CPU mis en œuvre
pour réaliser les calculs de dispersion lagrangien sont encourageants et montrent la faisabilité
de notre approche sur un cas applicatif réel.
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Abstract



The monitoring of pollutant’s emissions in the atmosphere constitutes for the
industrialists a main environmental issue. That they are punctual (emissions of pollutants by a
chimney) or fugitive (accidental releases of drains or storages), the knowledge and the control
of these emissions are important data to quantify and reduce their environmental impact. In
this context, the modeling of atmospheric dispersion is an interesting tool of analysis for the
monitoring of a site and this thesis has permitted the creation of an operational code ensuring
the follow-up of pollutants on an industrial site, in close field and with computing times
bordering the real time.
We have, during this research, developed an approach called Flow'Air-3D consisting
to create before any operational situation, a data base of CFD wind fields calculated on the
studied industrial site. In operational situation a lagrangian code of dispersion, SLAM,
developed in the thesis will ensure calculations of dispersion in a few seconds.
To be able to set up this Flow' Air-3D approach, we have developed, during this thesis,
a methodology and a specific parameterization of the k-ε model to represent the atmospheric
boundary layer with a CFD approach. Then, we have identified the parameters necessary to
build the data base, as well as the influence of the discretization and the interpolation of these
parameters on the wind fields resulting from this base. Finally a lagrangian code of dispersion
(SLAM) using the precalculated wind fields of the data base was developed and partially
validated on simple academic cases (well-mixed condition criteria, comparison with the
dispersion of a Gaussian puff, etc.).
Tests in wind tunnel, a eulerian approach (done with FLUENT 6.3) and a first
application of the Flow' Air-3D/SLAM methodology were carried out on the petrochemical
site of the refinery of Feyzin. The comparisons between these three approaches show the good
behaviour of the model SLAM. The CPU times for the calculations of lagrangian dispersion
are encouraging and show the feasibility of our approach on a real case.



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