Influence d’une construction humaine sur l’atmosphère

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 :
simulation avec construction humaine
Simulation du vent soufflant sur un quartier de Haute Savoie
  • 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 :
simulation sans construction humaine
Simulation du vent soufflant sur un terrain plat de Haute Savoie

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 :

simulations avec et sans construction humaine - difference
Mise en évidence de la différence entre les résultats de la simulation de vent sur un terrain construit et sur un terrain vide en Haute Savoie.

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.

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 ». L’exigence technique majeure représentant sa difficulté se situe dans le besoin de création d’un profil de vent de la couche limite atmosphérique. 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.

J’avais ainsi commencé l’étude par la réalisation d’une simulation du vent soufflant par dessus un terrain plat avec une couche limite de qualité et homogènement reconstituée. Vous pouvez voir dans l’image ci-dessous la simulation en question :

ABC_profils_ABL_homogene_rugosite_0.1
Simulation de la couche limite atmosphérique homogène le long d’un domaine de calcul représentant le vent soufflant par dessus un sol plat – Réalisé avec OpenFoam.

Si vous en avez l’oeil, vous pourrez voir dans l’image ci-dessus que la couche limite 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.

Intégration de l’Urbanisme à la simulation numérique

En outre, la réalisation d’une simulation de l’écoulement des vents implique également la création d’une maquette numérique 3D du quartier dans lequel on désire étudier les vents qui soufflent. Ainsi l’étude comprend, en addition, un travail 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 :

map_google_plateau_d_assy_importing_osm_datas_toget_stl
Démarche d’obtention de la géométrie 3D du quartier à étudier en un fichier stl exploitable dans une étude de simulation sous OpenFoam – Réalisé avec Blender.

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 :

conception_maillage_simulation_urbaine
Conception du maillage par assemblage d’un domaine de calcul et de la géométrie 3D de la ville – Réalisé avec snappyHexMesh.

Analyse des résultats des simulations

Ensuite la simulation de l’écoulement des vents appliquée à un quartier se réalise en juxtaposant de manière technique les configurations correspondant aux conditions du vent atmosphérique correctement simulé sur un sol plat avec la reproduction numérique 3D de l’architecture du quartier. Exemple :

simulations_vent_plateau_d_assy_2_rugosités
Vue plane d’un profil d’écoulement du vent atmosphérique sur un quartier du Plateau d’Assy en Haute-Savoie.

Par rapprochement des 2 simulations on constate que la construction humaine modifie la dimension de la couche limite atmosphèrique en augmentant notamment de 42m la hauteur de la couche de vent dans son profil de basse vitesse.

J’ai de plus lancé une simulation supplémentaire avec un domaine de calcul plus long pour capter avec précision le sillage qui se forme derrière la ville :

simulation_vue_en_haut_10m_sillage
Caractérisation du sillage laissé par une construction humaine – vue en coupe horizontale à 7m de hauteur au sol
simulation_vue_en_haut_20m_sillage
Caractérisation du sillage laissé par une construction humaine – vue en coupe horizontale à 14m de hauteur au sol

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. 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.

En construction …

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