Projet ANR-14-CE22-0012 – URBANTURB : Analyse du couplage dynamique entre la canopée urbaine et la couche limite atmosphérique
Programme : Systèmes urbains durables (DS0601)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Laurent Perret (Laboratoire en Hydrodynamique Energétique et Environnement Atmosphérique)
Partenaires : Laboratoire de Mécanique de Lille; Laboratoire public
Montant : 398840.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Turbulence dans et au-dessus de la canopée urbaine : analyse et modélisationComprendre et modéliser la dynamique des écoulements à l'interface entre la canopée urbaine et la basse atmosphère représente encore un défi scientifique afin d'anticiper la gestion de la ville et les problèmes environnementaux et de santé publique associés, dans la perspective de l'augmentation de la population urbaine. Le projet URBANTURB vise à identifier les mécanismes d'interactions entre la basse-atmosphère et la canopée urbaine et à en développer de nouvelles stratégies de modélisation.
Répondre aux questions de la gestion d'énergie, de la qualité de l'air ou du confort de l'habitant pour faire face à la densification des villes.Plus de 50% de la population mondiale réside aujourd'hui dans des régions urbaines et cette proportion va continuer à augmenter dans les prochaines décennies (World Urbanization Prospects, The 2011 Revision Highlights, United Nations, NY –http://esa.un.org/unup/Documentation/highlights.htm). Afin d'assurer une qualité de vie satisfaisante dans les zones urbaines (qualité de l'air, confort du piéton, ou gestion des énergies de manière durable), il est crucial d'être capable de mettre en oeuvre des stratégies efficaces de conception et de gestion de la ville. De plus, les régions urbaines sont des environnements très complexes de par leur forte hétérogénéité spatiale et la complexité et la diversité des processus physiques qui y ont lieu. Ainsi, la compréhension du micro-climat urbain et le développement d'outils de prévision pour l'aide à la gestion des villes, tout en prenant en compte le changement climatique global, nécessitent le développement de modèles et de méthodologies conçues spécifiquement pour prendre en compte le caractère multi-échelles et multi-processus des environnements urbains. Capables de rendre compte de l'évolution à la fois dans le temps et l'espace des écoulements atmosphériques sur une large gamme d'échelles, les stratégies de modélisation basées sur le concept des simulations des grandes échelles (LES) sont prometteuses. Cependant, elles reposent sur l'utilisation de modèles pour rendre compte des phénomènes turbulents non simulés et de la présence du milieu urbain dont la prise en compte est hors de portée des capacités de calculs actuelles. Pour cette raison, la représentation du milieu urbain repose souvent sur des modèles simplifiés. Il apparaît donc que la compréhension des processus physiques clefs qui pilotent les échanges entre la canopée urbaine et la basse atmosphère est un verrou aux progrès nécessaires pour répondre au challenges environnementaux et sociétaux auxquels nous faisons face aujourd'hui.
Modélisations en soufflerie d'écoulements en canopées urbaines idéalisées et calculs hautes performances.Afin de surmonter les défis scientifiques posés par la grande complexité et le caractère multi-échelles du milieu urbain mais aussi des écoulements atmosphériques, le projet URBANTURB repose sur la réalisation d'expériences en soufflerie simulant à échelle réduite (1:200) la basse atmosphère au-dessus de la canopée urbaine mais aussi sur des simulations numériques de configurations similaires afin de compléter les bases de données expérimentales. L'approche en soufflerie a été retenue car elle permet de parfaitement contrôler les conditions d'écoulement et offre une excellente répétabilité ainsi qu'une très bonne précision de mesure. Des techniques avancées de mesures principalement basées sur l'imagerie de l'écoulement (telles que la vélocimétrie stéréoscopique par images de particules) utilisant des caméras à haute sensibilité et un laser à haute énergie couplées à des méthodes avancées de traitement d'images sont employées. Le principal avantage de ce type d'approche est l'obtention d'information spatiale à haute résolution sur le champ de vitesse. L'utilisation de ces méthodes sera également complétée par l'utilisation de techniques de mesure plus classiques (telles l'anémométrie thermique) pour leur validation et l'obtention de complément d'information. Les techniques laser ne pouvant fournir des  informations que dans une tranche de l'écoulement, la réalisation de simulations numériques dans les mêmes configurations que les expériences en soufflerie permettra d'obtenir une information complémentaire à la fois sur l'évolution temporelle et dans un volume de la dynamique des écoulements.
Résumé de la soumission : Comprendre et modéliser la dynamique des écoulements à l'interface entre la canopée urbaine et la basse atmosphère représente encore aujourd'hui un challenge scientifique important à relever pour anticiper la gestion de la ville et les problèmes environnementaux et de santé publique associés, dans la perspective de l'augmentation croissante de la population urbaine. La difficulté provient à la fois de la complexité morphologique du milieu urbain, de l'existence de nombreux processus dynamiques et thermodynamiques d’origine naturelle ou anthropique, interagissant entre eux ou avec ceux à la couche atmosphérique. En particulier, le vent et la turbulence joue un rôle crucial dans les échanges de quantité de mouvement, de chaleur et de polluants entre la canopée urbaine et l'atmosphère. D'un point de vue aérodynamique, l'écoulement au-dessus d'une canopée urbaine peut être considéré comme une couche limite se développant à grand nombre de Reynolds sur une surface rugueuse et hétérogène, caractérisée par des échelles spatiales et temporelles très variées en forte interaction. La complexité qui résulte de ce caractère multi-échelles limite actuellement la compréhension des mécanismes en jeu dans la dynamique de ces écoulements et leur modélisation à l'échelle d'une ville car ni la capacité des calculateurs ni la connaissance fine du milieu ne permettent de réaliser des simulations assez détaillées pour rendre compte de l'ensemble des processus aux différentes échelles.Le projet URBANTURB vise à identifier les mécanismes d'interactions entre la basse-atmosphère et la canopée urbaine et à développer de nouvelles stratégies de modélisation de ces mécanismes. L'attention sera portée en priorité sur des configurations d'écoulement en condition de stratification neutre. Des études récentes de couches limites à grand nombre de Reynolds sur paroi lisse ont mis en évidence la nature du couplage entre la turbulence de proche paroi et les grandes échelles de l'écoulement qui se développe au-dessus. Ces observations ont notamment conduit au développement de modèles prédictifs simples de la turbulence de proche paroi. Sur la base de ces avancées, le présent projet est organisé autour de trois grands axes. Le premier axe concerne l'établissement de lois d'échelles nécessitant l'identification et la caractérisation, à la fois dans la canopée urbaine et la couche limite, des structures turbulentes cohérentes jouant un rôle dans les mécanismes d'interaction entre les différentes régions et dans les processus de transfert. Pour cela, des configurations de paroi rugueuse et de canopée urbaine dense à grand nombre de Reynolds seront étudiées grâce à des expériences en soufflerie de couche limite en environnement contrôlé et complétées par des simulations numériques des grandes échelles réalisées pour des configurations urbaines équivalentes. Le second axe concerne l'identification et la modélisation des mécanismes d'interaction entre les grandes échelles présentes dans la couche limite et la turbulence générée par la canopée. Enfin, le troisième axe porte sur l'introduction de ces modèles dans les outils de simulation numérique de l'atmosphère urbaine, en vue de proposer une nouvelle représentation de l'influence du milieu urbain sur la dynamique de l'écoulement. Les performances du modèle seront évaluées en référence à des approches résolvant explicitement les obstacles ou à des approches de type porosité-traînée, et son apport pour l'étude de la ressource éolienne en environnement urbain sera testé. Les retombées attendues du projet URBANTURB sont en premier lieu une compréhension approfondie des processus physiques pilotant les échanges entre la canopée urbaine et la couche de surface. Sur cette base, des modèles prédictifs de la turbulence proche en canopée pilotés par les grandes échelles de l'écoulement permettront de développer de nouvelles stratégies de modélisation pouvant être implémentées dans des codes de simulations numériques.
Résultats : Les travaux conduits dans le cadre d'URBANTURB constituent une opportunité de renforcement d'une collaboration avec l'université de Western Ontario, Canada, qui se concentre sur la configuration spécifique de rues canyons. Ils s'inscrivent également dans le cadre d'une collaboration en cours avec le National Center for Atmospheric Research, Colorado, USA, sur l'intéraction entre la basse atmosphère et les canopées denses telles que les forêts. Enfin, en lien direct avec les acitivités expérimentales conduites au sein d'URBANTURB,  l'édition 2017 du International Workshop on Physical Modelling of Flow and Dispersion Phenomena (PHYSMOD) se tiendra à Nantes, France, organisée par le LHEEA (L Perret), le coordinateur du projet URBANTURB.
Perspectives : Les retombées attendues d'URBANTURB sont une meilleure compréhension des processus physiques qui pilotent les échanges entre la canopée urbaine et la basse atmosphère, la production de modèles prédictifs de la turbulence de canopée précis et pilotés par l'écoulement se développant au-dessus. Ceci devrait contribuer au développement de nouvelles stratégies de modélisation qui seront à terme implémentées dans les codes de calculs opérationnels.
Publications et brevets : Depuis le début du projet (Janvier 2015), notre travail a conduit à la participation à 4 conférences  internationales et à la publication d'un article dans un journal scientifique international à comité de lecture (http://link.springer.com/article/10.1007/s10546-016-0179-0?view=classic).