Mécanisme des écoulements atmosphériques

Mécanisme des écoulements atmosphériques

“It was one of those days when it’s a minute away from snowing. And there’s this electricity in the air, you can almost hear it. And this bag was just… dancing with me … like a little kid begging me to play with it. For fifteen minutes. That’s the day I realized that there was this entire life behind things” American Beauty  .

L’atmosphère

L’atmosphère terrestre est l’enveloppe gazeuse de la Terre. Elle est décomposée en plusieurs sous-couches, chacune ayant des particularités qui lui sont propres. La détermination des différentes couches a été effectuée en fonction de l’évolution du profil de température vertical, à savoir :
➤ La troposphère. Cette couche correspond à la couche la plus basse. A l’intérieur de celle-ci se produisent les phénomènes météorologiques ainsi que les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux. Elle englobe la partie allant du sol à 8 à 15 km de hauteur. Son profil de température vertical montre une évolution décroissante en fonction de l’altitude.
➤ La stratosphère. Il s’agit de la couche juste au dessus, de 15 à 50 km d’altitude. La température suit un profil inverse au précédent, dû à la captation du rayonnement UV par la couche d’ozone.
➤ La mésosphère. Le profil de température décroit de nouveau avec l’altitude jusqu’à 50 à 80 km.
➤ La thermosphère. Le profil s’inverse de nouveau de 80 à 350-800 km d’altitude.
➤ L’exosphère. Il s’agit de la couche la plus haute de l’atmosphère. Elle couvre la zone où les particules sont encore attirées gravitationnellement à la Terre. Elle s’étend jusqu’à 50 000 km d’altitude.

L’énergie nécessaire au mouvement de l’air est fournie par le soleil. Celui-ci chauffe de manière inhomogène la surface terrestre, le rayonnement solaire n’étant pas en tout point perpendiculaire à la surface du globe. La chaleur est redistribuée à la couche d’air entourant la Terre. La différence de température et donc de pression entre deux zones conduit à un déplacement de masses d’air, causant de grands mouvements généraux. Les forces modifiant ce mouvement convectif sont la force de Coriolis et la force de frottement. La première est liée à la rotation de la Terre et induit une déviation des trajectoires. La seconde se manifeste au contact de surface, et ralentit la lame d’air directement à proximité. On définit la zone où l’influence des frottements de l’air est négligeable comme étant l’atmosphère libre. La zone la plus proche de la surface est la Couche Limite Atmosphérique (CLA). Les effets de la force de Coriolis s’y estompent progressivement au profit des effets mécaniques des frottements et des effets thermiques. Concernant notre problématique, nous ne nous intéressons qu’aux premiers mètres d’altitude ainsi qu’à une zone définie par une largeur maximale d’1 km. Aussi, il n’apparaît pas pertinent de prendre en compte les effets de la force de Coriolis. On se concentre sur l’étude de la zone où les effets des frottements sur la surface et des obstacles sont susceptibles d’apporter des modifications sur l’écoulement.

La couche limite atmosphérique

Les mouvements à l’intérieur de la CLA sont fortement perturbés par l’environnement. Les frottements au contact de surface présentant des discontinuités participent activement aux mouvements de l’air. Des perturbations sont apportées par le relief et les obstacles. Dans le cas d’obstacles importants tels que les montagnes, les perturbations peuvent atteindre l’atmosphère libre. Dans le cas d’obstacles moins imposants tels que les stockages industriels, l’impact se limite à l’environnement proche. En plus des perturbations mécaniques s’ajoutent les perturbations thermiques. Selon le type de surface impactée par les rayons du soleil, la chaleur fournie va être plus ou moins importante. De ce fait, l’écoulement va être perturbé localement. Un exemple de ce type de phénomène est la brise de mer. Nous détaillerons ci-après le comportement des écoulements dans la couche inférieure de la CLA.

Caractéristiques

La couche la plus basse de la troposphère a une épaisseur variant entre 100 m et près de 2 km de hauteur. De fortes interactions entre la surface de la Terre et l’atmosphère, sur des échelles de temps de l’ordre de quelques heures à la journée se traduisent par des effets mécaniques et thermiques. Les frottements mécaniques ralentissent l’écoulement directement en contact avec la surface (vitesse nulle). Par effet de cisaillement, un profil vertical de vitesse est identifiable. D’autre part, les échanges de chaleur entre la surface et l’air sont hétérogènes et participent à la création de tourbillons. Deux sous-couches peuvent ainsi être répertoriées :
➤ La couche d’Ekman, où la force de Coriolis influe sur le mouvement des masses d’air.
➤ La Couche Limite de Surface (CLS) s’étend du sol jusqu’à environ un dixième de la hauteur de la CLA. Celle-ci est constituée d’une sous-couche rugueuse. Elle est le siège des écoulements dépendant des paramètres locaux de la surface (bâtiments, végétation, …). De nombreux tourbillons sont générés. La turbulence est intermittente et instationnaire. La canopée est considérée comme la zone de la sous-couche rugueuse englobant les obstacles.

La dimension de ces différentes couches est donnée à titre d’exemple car celles-ci évoluent au cours du temps et en fonction de l’environnement. En l’absence d’entrainement convectif, la stratification thermique dans une atmosphère de stabilité neutre implique une perte de 1°C tous les 100 m d’altitude. Néanmoins, avec le réchauffement du sol par le soleil en journée, on voit apparaître une couche convective qui comporte des caractéristiques différentes. Les températures diminuent plus vite avec l’altitude et un mouvement vertical est observé. A contrario, après le coucher du soleil, le sol contribue moins à ce mouvement convectif et les températures diminuent moins vite avec l’altitude. La hauteur de la couche de surface diminue.

L’alternance des cycles diurnes et nocturnes crée des flux thermiques variables, conditionnant des couches stables et instables. Au regard de ces caractéristiques, l’étude de la dispersion atmosphérique d’une substance suite à une fuite sur un site industriel (hors nucléaire) se situe dans le cadre de la sous-couche rugueuse. La turbulence associée à ces caractéristiques devra être prise en compte.

Echelles d’observations des mécanismes de l’atmosphère

L’atmosphère peut être séparée en plusieurs échelles, chacune ayant des caractéristiques propres ou des mécanismes spécifiques. Néanmoins, ces mécanismes ne sont pas indépendants. Chacun est influencé par l’ensemble des autres. Les échelles planétaires et synoptiques s’intéressent aux mouvements globaux tels que les anticyclones ou dépressions de grande ampleur. Les caractéristiques de ces échelles sont étudiées en météorologie. Deux autres échelles se doivent d’être mentionnées ici, la méso échelle et la micro échelle. La méso échelle correspond à l’échelle locale. C’est l’échelle de la ville. Aux premiers abords, il semble peu intéressant de prendre en compte les caractéristiques de cette échelle. Pourtant, la présence d’un lac, par exemple, à proximité d’un rejet, pourrait largement influencer les concentrations de polluants au cours du temps et de l’espace. La micro échelle est celle qui nous concerne directement. Son périmètre d’étude est limité à des dimensions inférieures à quelques kilomètres. C’est l’échelle du site industriel susceptible de subir un accident majeur. Les mécanismes agissant à cette échelle seront spécialement étudiés dans la suite.

Les phénomènes que nous souhaitons représenter dans cette étude concernent notamment l’effet des obstacles sur la dispersion. Les distances à prendre en compte sont de l’ordre de 100 mètres à moins d’un kilomètre de la source. L’échelle temporelle associée se situe entre la minute et l’heure, ces intervalles de temps et d’espace étant représentatifs de la micro échelle.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : CONTEXTE ET ETAT DE L’ART
I-1. LA DISPERSION ATMOSPHERIQUE
I-1.1. Introduction
I-1.2. Historique
I-1.3. Le site industriel : zone d’aléa
I-1.4. Gestion des risques industriels
I-1.5. Conclusion
I-2. MECANISME DES ECOULEMENTS ATMOSPHERIQUES
I-2.1. L’atmosphère
I-2.2. La couche limite atmosphérique.
I-2.3. Equations fondamentales
I-2.4. Ecoulement autour d’un stockage
I-2.5. Conclusion
I-3. MODELISATION DE LA DISPERSION ATMOSPHERIQUE
I-3.1. Différents types de modélisation
I-3.2. Modèles de dispersion atmosphérique
I-3.3. Conclusion
PARTIE II : MODELES ISSUS DE L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE
II-1. AUTOMATES CELLULAIRES
II-1.1. Historique
II-1.2. Principes généraux et définitions
II-1.3. Applications à la mécanique des fluides
II-1.4. Conclusion
II-2. RESEAUX DE NEURONES
II-2.1. Historique et généralités
II-2.2. Définitions
II-2.3. Applications en dispersion atmosphérique
PARTIE III : METHODES ET RESULTATS
III-1. STRATEGIE DE L’ETUDE
III-1.1. Constitution des bases de données CFD
III-1.2. Lien avec la couche limite atmosphérique
III-1.3. Principes et évaluation des réseaux de neurones créés
III-2. MODELISATION DE LA DISPERSION ATMOSPHERIQUE D’UNE SOURCE CONTINUE EN CHAMP LIBRE
III-2.1. Simulation CFD
III-2.2. Base de données et base d’exemples
III-2.3. Apprentissage et optimisation
III-2.4. Evaluation du modèle
III-2.5. Temps de calcul
III-2.6. Conclusion
III-3. MODELISATION DE LA DISPERSION ATMOSPHERIQUE D’UNE BOUFFEE EN CHAMP LIBRE
III-3.1. Objectifs
III-3.2. Méthode d’utilisation du CA-ANN
III-3.3. Base de données et base d’exemples
III-3.4. Réseau de neurones
III-3.5. Evaluation du modèle CA-ANN
III-3.6. Gain en temps de calcul
III-3.7. Conclusion
III-4. MODELISATION DE LA DISPERSION ATMOSPHERIQUE AUTOUR D’UN OBSTACLE CYLINDRIQUE
III-4.1. Objectifs
III-4.2. De la base de données à la base d’apprentissage
III-4.3. Structure du réseau de neurones
III-4.4. Optimisation et sélection des modèles
III-4.5. Evaluation sur des cas non-appris
III-4.6. Application aux cas non-appris
III-4.7. Conclusion
CONCLUSIONS

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