3D Modelling of air pollution at urban scale

Nicolas Reiminger

Résumé

The aim of this thesis is the development and the validation of Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers and new methodologies to assess air quality in urban areas. To do so, the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes methodology (URANS) is chosen and two new solvers are built. It includes a Forced Convection Solver (FCS) for neutral atmospheres modelling and a Mixed Convection Solver (MCS) for stable and unstable atmospheres modelling where other important phenomena such as the effects of vegetation are also considered. The results of these solvers were compared to seven test cases including wind tunnel and in-situ experiments which show that an error of less than 10% can be expected on modelled concentrations, but also that indoor/outdoor exchange can be efficiently modelled. The issue of computational domain including domain extension, meshing, boundary conditions emissions and background concentrations for air quality modelling in urban areas are dealt in an improvement approach, especially in the engineering context. Numerous new methodologies are developed and validated, and their limits assessed including methodologies to assess nitrogen dioxide concentrations based on nitrogen oxides concentrations, to assess continuous wind distributions based on discrete data such as given by wind roses or to assess mean annual concentration based on punctual numerical results. The interest and potential of such numerical models and methodologies is lastly highlighted and examples of application for the purpose of design, understanding and diagnosis are presented.

Le but de ce travail de thèse est le développement et la validation de codes de calcul de type mécanique des fluides numérique, ou CFD (Computational Fluid Dynamics), ainsi que de nouvelles méthodologies pour évaluer la qualité de l’air en zone urbaine. Pour cela, la méthodologie RANS en écoulement transitoire (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes) est retenue et deux nouveaux codes de calcul sont développés. Ceci inclut un modèle à convection forcée (FCS) pour modéliser les atmosphères neutres, ainsi qu’un modèle à convection mixte (MCS) pour modéliser les atmosphères stables et instables, mais aussi d’autres phénomènes tels que les effets de la végétation. Les résultats de ces deux codes de calcul sont comparés à sept cas tests expérimentaux réalisés en soufflerie, mais aussi sur le terrain et les résultats montrent que des erreurs de moins de 10% peuvent être attendues au sujet des concentrations modélisées, mais aussi que les échanges intérieurs/extérieurs peuvent être modélisés de façon performante. La question du domaine de calcul incluant les dimensions du domaine, le maillage, les conditions aux limites, les émissions ainsi que la concentration de fond dans le cadre de la modélisation de la qualité de l’air en environnement urbain est traitée dans une approche d’amélioration et, particulièrement dans le contexte de l’ingénierie. Plusieurs nouvelles méthodologies sont développées et validées incluant des méthodologies pour évaluer les concentrations en dioxyde d’azote sur la base des concentrations en oxydes d’azote, pour évaluer la distribution continue du vent sur la base de données discrètes issues des roses des vents, ou encore pour évaluer les concentrations moyennes annuelles sur la base de résultats numériques ponctuels. L’intérêt et le potentiel de ce type de modèle numérique et de méthodologies sont enfin mis en avant et des exemples d’application à des fins de conception, compréhension et diagnostic sont présentés.