Etude numérique de la dispersion avec Code_Saturne pour desconfigurations simples

Dans ce chapitre, nous présentons d’abord brièvement Code_Saturne, le code de calcul CFD utilisé tout au long de notre travail de thèse. Nous exposons ensuite la mise en données de nos calculs de dispersion dans Code_Saturne, avec les deux ap- proches eulérienne et lagrangienne. Nous verrons au travers d’exemples les singularités et points sensibles que peuvent présenter chacune des approches en termes de modélisa- tion numérique. Entre autres, nous verrons comment, à partir d’approches différentes, modéliser le même rejet. Enfin, nous présentons un cas de vérification de notre modèle par comparaison à une solution analytique : le cas du rejet ponctuel continu en vent uniforme et turbulence homogène. Code_Saturne (http://code-saturne.org/) est un code CFD open-source, dé- veloppé au sein d’EDF R&D depuis 1997. Il résout les équations générales de la mé- canique des fluides (i.e. équations de continuité, quantité de mouvement, énergie et turbulence,…) par le moyen de méthodes numériques et de modèles de turbulence. Ces équations sont résolues sur tous types de maillage, y compris maillages complexes non structurés. Plus de détails sur les méthodes numériques implémentées dans le code sont fournis dans Archambeau et al. (2004).En outre, Code_Saturne comprend des modules spéciaux pour des physiques par- ticulières comme par exemple la combustion, la magnéto-hydrodynamique, les écou- lements compressibles, etc. En particulier, deux modules se détachent dans le cadre de notre travail de thèse : le module atmosphérique et le module lagrangien, l’un des objectifs étant leur couplage pour nos applications.

Module atmosphérique

Le module atmosphérique de Code_Saturne a été co-développé par le CEREA etEDF R&D. Dans ce module sont implémentées les lois phénoménologiques régissant la dynamique des écoulements atmosphériques, la microphysique des nuages ainsi que la dispersion turbulente de polluants. L’équation de conservation de l’énergie est résolue sur la variable température potentielle incluse dans le module, et les conditions limites sont imposées suivant les profils analytiques fournis par la théorie de similitude de Monin-Obukhov, ou bien suivant des profils fournis par un modèle à plus grande échelle.Divers travaux de modélisation de dispersion atmosphérique par approche eulé- rienne ont déjà été réalisés avec Code_Saturne, voir par exemple la thèse de Wei (2016) où l’objectif était de valider le modèle CFD eulérien pour la dispersion en champ proche et en conditions stables sur site fortement hétérogène (programme expérimental sur le site du SIRTA, situé en banlieue sud de Paris). Ces travaux seront notamment pour nous une base de validation pour l’implémentation de notre modèle. Nous pou- vons également citer d’autres travaux sur la dispersion par approche eulérienne via Code_Saturne : par exemple, Demael et Carissimo (2008) ont comparé le modèle Code_Saturne à deux modèles gaussiens sur une expérience de la campagne Prai- rie Grass, Milliez et Carissimo (2007, 2008) ont étudié la dispersion en conditions neutre et stable sur la campagne MUST, Chahine et al. (2015) ont étudié la formation et la dispersion d’un panache issu d’une tour de refroidissement. Plus récemment, Gao et al. (2018) ont réalisé une simulation RANS instationnaire haute résolution du vent, des effets thermiques et de la dispersion de polluants dans un quartier de Toulouse.

Le module lagrangien permet de simuler les écoulement polydispersés en calcu- lant des trajectoires de particules incluses dans l’écoulement porteur. L’histoire indivi- duelle et instantanée de chaque particule est suivie, et des statistiques sur les grandeurs moyennes instantanées d’intérêt liées aux particules sont ensuite réalisées (par exemple, dans notre cas, la concentration en polluant). Le suivi de particules dans le module lagrangien de Code_Saturne repose sur les méthodes PDF (Probability Density Func- tion), développées dans Pope (2000), et exposées en chapitre 3 de ce manuscrit.Dans le cadre le plus général, le principe d’un calcul lagrangien de dispersion dans Code_Saturne est le suivant. A chaque pas de temps tn, les solveurs eulérien et lagran- gien interagissent. Premièrement le solveur eulérien résout sur un maillage les équa- tions de Navier-Stokes. Les champs obtenus (hP i, , et, si l’on utilise un modèle RANS .