Numerical and experimental validation of a fast-response Lagrangian modeling approach for hazardous substance releases in industrial and urban environments
Validation numérique et expérimentale d’une approche de modélisation lagrangienne à réponse rapide pour des rejets de substances dangereuses en milieu industriel ou urbain
Résumé
The release of hazardous substances into the atmosphere is a major concern for both public authorities and industry to ensure the safety of people and infrastructure. During accidental events, to optimize interventions and decision making, rapid response atmospheric dispersion models can be implemented. For these models to meet the challenges of crisis management, they must meet the criteria of speed, accuracy, reliability and limited available computing resources. The scientist’s challenge is to develop a model that meets all these criteria. It is with this objective that the development of the BUILD software was initiated, within a project resulting from a collaboration between the Fluid Mechanics and Acoustics Laboratory (LMFA) and the Military Applications Division of the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA-DAM). In parallel to the development, the knowledge of the potential of a model goes through a validation process in which this thesis work is part, with the support of an additional partner, TotalEnergies. This step consists of evaluating the model through different configurations using reference data. Several configurations were studied to rigorously qualify the results of the BUILD model. To support our results, CFD simulations (RANS and LES) have been implemented to have an additional support to the experiments for the comparisons. These simulations allow quantifying some parameters that the experiment prevents from measuring. They have thus enabled to refine the analysis of the flow behavior and the species transport and to provide the experimental results. Within the framework of this thesis, the actions undertaken consisted in setting up CFD simulations on the different configurations, studying the results obtained and comparing them to the simulations from BUILD. However, the lack of information for some experimental conditions or the presence of physically inconsistent information can make the parameterization of CFD simulations complex. This work was the opportunity to propose solutions to overcome these problems. Finally, the intercomparison between the experiment, the CFD models and BUILD make to evaluate the performance of BUILD possible for a limited computing time and resources. In conclusion, these studies show the current capabilities of the BUILD model and highlight the priority perspectives considered to improve it.
Le rejet de substances dangereuses dans l’atmosphère est une problématique d’intérêt majeur pour les autorités publiques comme pour les industriels afin d’assurer la sécurité des personnes et des infrastructures. Lors d’événements accidentels, afin d’optimiser les interventions et la prise de décisions, des modèles de dispersion atmosphérique à réponse rapide peuvent être mis en oeuvre. Pour que ces modèles répondent aux enjeux d’une gestion de crise, ils doivent remplir des critères de rapidité, de précision, de fiabilité et de ressources informatiques disponibles à capacité limitée. Le défi scientifique est de développer un modèle répondant à l’ensemble de ces critères. C’est avec cet objectif que s’est initié le développement du logiciel BUILD, au sein d’un projet issu d’une collaboration entre le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA) et la Direction des Applications Militaires du Commissariat à l’Énergie Atomique et aux énergies alternatives (CEA-DAM). En parallèle du développement, la connaissance du potentiel d’un modèle passe par un processus de validation dans lequel ces travaux de thèse s’inscrivent, avec l’appui d’un partenaire supplémentaire, TotalEnergies. Cette étape consiste à évaluer le modèle à travers différentes configurations à l’aide de données de référence. Plusieurs configurations ont été étudiées afin de qualifier rigoureusement les résultats du modèle BUILD. Dans le but d’appuyer nos résultats, des simulations CFD (RANS et LES) ont été mises en place afin d’avoir un support supplémentaire aux expériences pour les comparaisons. Ces simulations permettent de quantifier certains paramètres que l’expérience ne permet pas de mesurer. Elles ont ainsi permis d’affiner l’analyse du comportement de l’écoulement et du transport d’espèce et de compléter les résultats expérimentaux. Dans le cadre de ces travaux de thèse, les actions entreprises ont consisté à mettre en place des simulations CFD sur les différentes configurations, à étudier les résultats obtenus et à les comparer aux simulations issues de BUILD. Cependant, l’absence d’informations pour certaines conditions expérimentales ou la présence d’informations physiquement incohérentes peut rendre la paramétrisation des simulations CFD complexe. Ce travail a été l’occasion de proposer des solutions pour pallier ces problématiques. Enfin, l’intercomparaison entre l’expérience, les modèles CFD et BUILD permet d’évaluer les performances de BUILD pour un temps de calcul et des ressources limitées. Finalement, ces études montrent les capacités actuelles du modèle BUILD et mettent en lumière les perspectives prioritaires envisagées pour l’améliorer.
Origine : Version validée par le jury (STAR)