L’Influence d’une Construction Humaine sur l’Atmosphère
Sommaire Scientifique
L’objectif de la présente étude est d’identifier l’influence d’une construction humaine sur l’atmosphère. Pour réaliser cette étude j’ai lancé plusieurs simulations en utilisant simpleFoam et en appliquant le modèle de Richards et Hoxey (1993). Ce modèle permet de reproduire avec justesse les conditions atmosphèriques dans un domaine de simulation. Et pour identifier l’influence de la construction humaine sur l’atmosphère j’ai opté pour la stratégie suivante : lancer deux simulations. Lesquelles sont :
- Une simulation de l’environnement contenant la construction humaine dont il est question, comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous :
- Une simulation dans laquelle la construction humaine a été virtuellement retirée, restant ainsi seulement un terrain plat, comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous :
Les 2 simulations réalisées, je les ai comparées. L’impact de la construction humaine sur le climat s’identifie par caractérisation de la différence entre les résultats de ces 2 simulations. Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous :
De par leur taille, les constructions humaines ont naturellement tendance a donner plus d’ampleur aux phénomènes météorologiques se produisant dans l’atmosphère. Au sein de mon bureau d’étude je peux calculer et chiffrer ces différences.
Combiner Urbanisme et simulation numérique
Pré-Traitement – Avant même de commencer à mailler
La réalisation d’une simulation de l’écoulement des vents implique la création d’une maquette numérique 3D de l’environnement dans lequel on désire étudier les vents qui soufflent. Ainsi l’étude comprend préliminairement et systématiquement, en addition du calcul numérique, un travail de création ou d’obtention de la géométrie 3D de l’emplacement ciblé. Plusieurs logiciels de CAO, comme sketchUp ou Blender peuvent servir d’outils pour recueillir les données chez Google ou chez OpenStreetMap afin de reconstituer la géométrie d’un emplacement existant sur la terre. Ici je me suis servi de Blender :
Pré-Traitement – Initialisation du domaine de calcul pour y inclure les bâtiments
Une fois la géométrie 3D de la ville obtenue, je conçoie un domaine de calcul à l’intérieur duquel je viens y intégrer la ville en 3D. Ce domaine de calcul est conçu très large, bien plus large que la taille du quartier étudié et cela pour encaisser les fluctuations qui peuvent être notamment produites par les limites du domaine :
Pré-Traitement – Mailler le quartier et les bâtiments dans le domaine de calcul
L’intégration du quartier dans le domaine de calcul se fait via un maillage. Les étapes de la construction de ce maillage sont très précises et tel que l’environnement y est reconstruit cellule par cellule. Les cellules sont faites de plus en plus petites à mesure que l’on approche les objets d’intérêt. Ici les objets d’intérêt sont les bâtiments qui constituent le quartier à étudier. Ainsi la géométrie de la ville est pour ainsi dire captée par l’outil logiciel et cela afin de reproduire au mieux les infrastructures.
Pré-Traitement – Finalisation du maillage du quartier et des bâtiments
La juste création du maillage en question présenté ci-dessus comme ci-dessous comprend, en plus, également l’adjonction de mailles très fines pour appréhender les couches limites se formant en surface des bâtiments. Ces mailles extrêmement fines qui sont très difficiles à construire sont également très difficiles à voir. C’est pourquoi je propose une illustration composée d’une succession de zooms pour les rendre ainsi visibles depuis un schéma. Veuillez voir le schéma ci-dessous. Il réprésente aussi le maillage abouti, prêt à être employé pour réaliser un jet de simulations. Il est constitué de plus de 10 millions de cellules :
Pré-Traitement – Un maillage plus grand pour capter le sillage derrière la ville
Après plusieurs jets de simulations il s’avéra que le 1er domaine ne captait pas l’intégralité du sillage laissé par la ville. Voici un domaine agrandi mesurant 8 kms de long. Il a été réalisé pour l’étude spécifique du sillage. J’ai abordé ce thème en fin de la présente étude. Un espace du maillage en forme de parallélépipède rectangle a, de plus, été maillé plus fin pour capter le sillage qui se forme dans la zone avec plus de précision. Le maillage fait plus de 21 million de cellules.
Résolution via le Calcul Numérique – A propos de la simulation météorologique micro-échelle
Les simulations de vent sont très complexes car il s’agit de recréer les conditions atmosphériques à l’intérieur d’un domaine de calcul. Ce type de simulation est appelée « météorologique micro-échelle ». Il s’agit d’une exigence technique majeure de notre siècle. Elle représente une grande difficulté. De fait, pour réussir à créer ce type de simulation il faut reconstituer les profils de vitesse du vent de la couche limite atmosphérique à l’intérieur d’un domaine de calcul, dans l’ordinateur. Et cette couche limite atmosphérique doit être homogènement reconstituée tout le long du domaine de calcul, cela veut dire qu’il ne doit pas y avoir d’altération de sa forme naturelle. Ce qui est de surcroit une très stricte difficulté.
Dans la présente étude je publie la réalisation de simulations du vent soufflant par dessus un terrain plat avec une couche limite atmosphèrique de très bonne qualité qui est également très correctement homogènement reconstituée. Vous pouvez voir dans l’image ci-dessous un exemple de résultat :
Si vous en avez l’oeil, vous pourrez voir dans l’image ci-dessus que la couche limite atmosphérique de ma simulation est homogènement dessinée tout le long du domaine de calcul. Les résultats que j’obtiens sont donc vraiment très corrects et ils sont pourtant difficiles à obtenir. Selon une publication de la Chalmers University of Technology qui a également produit un cours disponible en ligne sur le sujet en 2017 : « Plusieurs codes CFD commerciaux (par exemple CFX et Fluent) se sont révélés incapables de maintenir les profils de vitesse et de turbulence du vent atmosphérique standard sur un terrain plat avec des rugosités homogènes. »
Mais depuis mon bureau d’étude j’arrive à obtenir des résultats justes et très concluants à ces mêmes problèmes en utilisant les codes d’OpenFoam.
Résolution via le Calcul Numérique – Application de la simulation météorologique à l’urbanisme
Il faut, comme je le fais dans cette étude, vérifier intuitivement à l’oeil nu l’homogénéité horizontal des profils de vitesse de vent des différentes couches de l’atmosphère. Cela est une garantie de la qualité de la simulation réalisée. Cela vaut pour le cas d’un vent qui souffle au dessus d’un sol tout plat symbolisé en simulation par un domaine vide. Par contre, le cas des tranches de l’atmosphère se situant par dessus les villes sort du registre d’une atmosphère homogène. Car les villes forment des obstacles artificiels au vent qui modifient ainsi ponctuellement la forme de la couche limite atmosphérique. Une fois modifiée celle-ci n’est ainsi plus homogène horizontalement. Il s’agit d’une déformation artificielle des couches de l’atmosphère.
Les schémas que j’ai publiés dans cette étude illustrent bien cette réalité. Voici, ci-dessous un schéma d’une nouvelle simulation que j’ai lancé avec cette fois une rugosité beoucoup plus basse, 0.0024, contre 0.1 plus haut. Elle satisfait également l’exigence d’homogénéité horizontal des couches de l’atmosphère :
On peut y voir que les couches formées sont bien horizontales.
Sur le sol plat représenté en simulation par un domaine de calcul vide on peut vérifier la qualité, la précision et la cohérence des résultats de la simulation de l’atmosphère par la juste obtention de couches homogènes horizontales. Ainsi il faut démarrer toute étude de vent courant à travers une ville par la réalisation d’une simuation courant dans un domaine vide et cela pour vérifier systématiquement, en amont, la justesse des résultats d’une simulation de l’atmosphère météorologique micro-échelle.
Ensuite je lance la juste simulation météorologique d’une ville en combinant la simulation d’une atmosphère correctement reproduite dans un domaine de calcul vide avec la géométrie 3D des bâtiments et infrastructures qui composent la ville. Voir ci-dessous :
Post-Traitement – 1ers résultats des simulations
Vous avez ainsi pu voir dans les 2 schémas plus haut, des ilustrations des méthodes que j’ai employées pour obtenir mes résultats dans plusieurs cas de rugosité du sol, 0.1 et 0.0024. La déformation des couches de l’atmosphère se perçoit beaucoup plus dans le résultat de la simulation pour le cas de la très faible rugosité de valeur 0.0024. Dans ce cas précis on peut voir et mesurer sur le schéma que la couche de couleur verte voit son épaisseur plus que doubler au moment du contact entre le vent et la ville. La forme de la couche atmosphérique est donc affectée et déformée par la taille des bâtiments que le vent traverse.
Dans le cas de la rugosité de 0.0024, l’épaisseur du profil de basse vitesse (la couche verte) augmente notamment de 42m en hauteur. On a ainsi vérifié par la simulation que la couche limite atmosphérique subit des aléas dans sa forme au passage d’une ville. Et ces aléas sont chiffrables.
Post-Traitement – résultats présentés sous forme d’animations
Veuillez voir ci-dessous des animations représentant les résultats du vent souflant par dessus la ville :
L’animation publiée ici est une succession de prises de vue des plans de base (y,z) avec une abscisse d’incrémentation de 25m. Ainsi de 0m à 3200m selon l’axe x, il y a une prise de vue tous les 25m. C’est à dire, en tout, 129 prises de vue qui suivent le vent dans sa direction et en décrivent ainsi son mouvement vis-à-vis de la ville qu’il traverse …
Par rapprochement des différentes simulations on constate que la construction humaine modifie la dimension de la couche limite atmosphèrique de manière plus ou moins caractéristique en laissant comme ce qui ressemble à une bulle derrière elle. Cette bulle mesure environ 650 mètres de large pour environ 100 mètres de haut. Sa dimension est relative à celle du quartier étudié. C’est en réalité en mécanique des fluides ce qu’on appelle un sillage, j’en parle dans la partie suivante.
Post-Traitement – résultats représentant le sillage de la ville
J’ai lancé une simulation supplémentaire avec un domaine de calcul plus long pour capter avec précision ce sillage qui se forme derrière la ville, pour la cas d’un sol de rugosité 0.1. Voici 2 prises de vue à 2 hauteurs différentes depuis le ciel :
On peut noter la présence d’un sillage d’environ 3 km de long se formant derrière le quartier. Il s’agit de la grosse pointe verte se révélant dans la simulation, illustrée par les 2 images ci-dessus prise depuis 2 hauteurs différentes 7m et 14m de haut. C’est le vent qui laisse sa trace après avoir soufflé à travers le village. Ici à la vitesse de 6m/s à 10m de hauteur. Ce sillage est, en météorologie, autant de trace que la construction humaine laisse dans l’atmosphère. Trace que l’on ne trouve pas sur un sol vierge.