Validation en conditions réelles le Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA)

Présentation du programme expérimental

Description du site Le SIRTA se situe sur le campus de l’Ecole Polytechnique, en banlieue sud de Paris. Il s’agit de l’observatoire atmosphérique de l’IPSL (Institut Pierre-Simon Laplace) regroupant plusieurs laboratoires de la région parisienne, dont le CEREA où cette thèse est réalisée. Le SIRTA est un site complexe contenant entre autres des bâtiments, un lac ainsi que de la végétation plus ou moins dense. L’activité de recherche y est variée, des processus nuageux aux énergies renouvelables en passant par les études climatiques et la physique de la turbulence. Pour notre travail, l’objectif est de simuler dans Code_Saturne une expérience de dispersion de polluants menée au SIRTA par le CEREA et exploitée par Wei (2016) dans le cadre de ses travaux de thèse. Avant cela, plusieurs autres travaux se basant sur les données du SIRTA ont déjà été réalisés. Par exemple, Fesquet et al. (2009) ont étudié l’impact de l’hétérogénéité du sol sur les propriétés des structures cohérentes au travers de simulations LES. Zaïdi et al. (2013) ont travaillé sur la modélisation à micro-échelle des hétérogénéités des variables turbulentes sur le site pour différentes directions de vent. L’objectif du travail de Wei (2016) a été de caractériser, au sein d’un site complexe, à la fois la structure fine de la turbulence et la dispersion d’un polluant dans l’atmosphère : le propylène (C3H6). Ceci a pu être réalisé grâce à des mesures de vent et de concentration à hautes résolutions spatiale et temporelle. Les mesures de vent et de température ont été obtenues par des anémomètres ultrasoniques, et celles de concentration en polluant par des détecteurs par photoionisation (en anglais, PhotoIonization Detectors – PID). Le choix du propylène est dû à sa toxicité réduite, sa faible température d’ébullition, son coût raisonnable ainsi que sa faible énergie d’ionisation. Wei (2016) précise dans ses travaux les caractéristiques principales de la campagne : — expérience en champ proche (50 à 200 m) ; — stratification principalement stable, avec quelques situations neutres ; — mesures à haute fréquence (environ 50 Hz) afin de couvrir l’ensemble du spectre fréquentiel de la turbulence. Dans la Figure 6.1 est proposée une vue du ciel du SIRTA, avec une représentation de ses différentes zones. La campagne que nous traitons est située en zone 1 (encadrée en rouge sur la figure). Cette zone est délimitée par une forêt au nord et une route au sud.

Description de la POI n°11

La POI n°11, réalisée le 11 mars 2015, fait partie des dernières campagnes de traçage qui ont été menées et dispose du PID additionnel à 10 m au-dessus du PID n°3. Le propylène a été relâché avec un débit de 200 L/min pendant 122 minutes et la durée totale de la POI est de 142 minutes. Nous sommes en présence d’une couche limite de surface stable, d’un vent d’est à 3 m, légèrement sud-est à 10 m. Plus de détails sont fournis dans la Table 6.1, tirée des travaux de Wei (2016). Ce tableau indique la direction du vent horizontal, la vitesse longitudinale moyenne ainsi que la longueur de Monin-Obukhov aux différents points de mesure. 142 6.2. Modélisation numérique Figure 6.3 – Maillage du domaine de simulation. (a) Plan de coupe horizontal au niveau du sol ; (b) zoom sur la zone instrumentée au niveau du sol ; (c) plan de coupe vertical (d’après Wei (2016)). 6.2 Modélisation numérique Dans cette section, nous nous attachons à présenter la méthodologie ainsi que la mise en données de notre simulation numérique de la POI n°11 dans Code_Saturne. 6.2.1 Domaine de simulation et maillage Le domaine de simulation a pour dimensions 1600 m (Est-Ouest) × 700 m (NordSud) × 200 m (direction verticale). Le maillage est illustré en Figure 6.3 ; il est raffiné près du sol et des instruments de mesure. La zone instrumentée mesure 180 m × 100 m et dans cette zone, la résolution horizontale du maillage est de 1 m. Dans le reste du domaine, elle est de 5 m. La résolution verticale du maillage, quant à elle, est de 0.5 m au niveau du sol et augmente progressivement jusqu’à 10 m au sommet du maillage (z = 200 m). Au total, le maillage contient 4 579 071 cellules.