RAPPORT TACHE TPAF

Transfert de Polluants Atmosphérique avec Fluent



1. Descriptif de la tâche

2. Travail effectué


3. Conclusion


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1. Descriptif de la tâche.

1.1 Motivation de l'étude.

Dans le cadre du BEI sur le Système de Managment Environemental, nous avons décidé d'étudier le transfert de polluants dans l'atmosphère. Cette tâche s'inscrit dans la continuité de la tâche IFLU. Le traitement de problèmes de pollution atmosphérique, par voie numérique, impose un certain nombre de contraintes quant à la définition du problème numérique : couche limite atmosphérique, modèle de turbulence, comportement des réactifs, flottabilité. Nous désirions mieux maîtriser ces divers paramètres avant d'aller plus en avant dans notre simulation de transfert de polluant.

Nous présenterons cependant un exemple de transfert de polluant passif.

1.2 Contenu.

La première étape de notre tâche a été de s'intéresser au maillage du domaine. Après avoir défini la topographie de notre domaine, nous nous sommes intéressés aux dimensions que le calcul nous imposait et aux zones dans lesquelles nous devions raffiner le maillage.
La seconde étape de notre tâche a été de s'attarder sur la définition des conditions aux limites dans Fluent et particulièrement aux conditions aux limites définies par l'utilisateur.
Nous avons ainsi rédigé un manuel pour les élèves de l'option mécanique des fluides numerique, explicitant la méthodologie à suivre pour imposer ses propres conditions aux limites.

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2. Travail effectué.

2.1 Définition du problème physique.

2.1.1 Définition de la topographie du domaine

L'étude de la dispersion de polluants est très complexe et nécessite, en premier lieu, de bien comprendre le comportement d'un écoulement en présence d'obstacle. En effet, l'étendue de la zone de recirculation, la nature de la couche cisaillée, tout comme celle des tourbillons qui se détachent de l'obstacle, vont interagir avec le polluant et donc influencer sa dispersion. Les obstacles rencontrés par l'écoulement possèdent souvent des arêtes vives, ce qui amplifient les instabilités. Car contrairement au arêtes arrondies ou aux bâtis ayant une forme circulaire, le décollement des lignes de courant se fait de façon plus brutale, le sillage est plus large et la recirculation plus importante. Tous ces éléments ont une grande influence sur l'accumulation et la diffusion du polluant.

Compte tenu de la complexité du phénomène étudié, nous nous intéressont uniquement aux obstacles isolés, sans toutefois en négliger le caractère tridimensionnel.

Nous étudions dans un premier temps l'écoulement autour d'un cube sans emission de polluant afin de bien maîtriser la physique des écoulements. Le domaine d'étude derrière l'obstacle est assez important afin de pouvoir visualiser les recirculations et tourbillons créés par le cube. Des travaux effectués sur ce sujet nous permettent de valider nos simulations.

D'après GRAZZINI[1997]

D'après DARGENT [1996]

2.1.2 Définition des conditions aux limites

La résolution d'un problème de mécanique des fluides en atmosphère implique une compréhension des phénomènes physiques qui gouvernent son comportement. Etant donné la prise de conscience des problèmes de pollution par les industriels, de nombreux groupes de recherche se sont penchés sur le sujet. Parmi ceux nous pouvons citer le groupe SUB-MESO auquel des chercheurs de l'IMFT ont participé. Nous ne souhaitons pas dans ce rapport nous étendre sur la modélisation des comportements de l'atmosphère. Aux personne désirant en savoir un peu plus, nous vous proposons de vous reporter au rapport BEI SEE 97 groupe "Système de Management Environnemental"(sous reserve). http://www.enseeiht.fr/


2.1.2.1 Définition de la couche limite atmosphérique.

Pour simplifier les comportements de cette couche limite, il exite un certain nombre de modélisations des profils de vitesse, d'intensité turbulente, de température. L'objectif de cette tâche étant d'approfondir la connaissance du logiciel Fluent, nous nous sommes limités à des profils simples donnés par Wen-Whai Li et Meroney [1982] " Gas dispersion near a cubical model building. Part I".

2.1.2.2 Profil de vitesse en entrée

Le profil que nous adoptons étude est un profil en loi puissance de type U/Uref=(z/Href)^n. Dans cette définition, la hauteur Href est la hauteur moyenne des obstacles et n est un exposant traduisant la rugosité de l'écoulement en amont.

Le logiciel Fluent ne propose par défaut que des conditions aux limites constantes. Pour entrer ce type de conditions particulières, il faut utiliser les "User Defined Functions". La méthode est explicitée dans la partie définition de conditions aux limites particulières dans le manuel Fluent de l'option.

2.1.2.3 Profil de l'intensité turbulente en entrée

Le profil que nous adoptons étude est un profil en loi logarithmique inverse du type  racine(kbarre)/U=cte*log(z/Href).

Là encore, on créer une "User Defined Functions" que l'on intègre au code. La méthode est explicitée dans la partie définition de conditions aux limites particulières dans le manuel Fluent de l'option.

2.2 Considérations numériques

2.2.1 Topographie et maillage

Le maillage utilisé est non structuré, resséré fortement autour de l'obstacle, ainsi que sur le sol pour tenir compte de la couche limite atmosphérique.

vue éloignée

vue près de l'obstacle

2.2.2 Conditions limites

On visualise les conditions limites implémentées dans le code et on les compare à ceux des rapports de théses.

2.2.2.1 Visualisation du profil de vitesse en entrée

implémentation personnelle

expérience (D'après Wen-Whali & Meroney[1983])

2.3 Résultats des simulations numériques

2.3.1 Profil de vitesse et d'intensité turbulente

On vérifie la bonne évolution des profils le long de l'écoulement

2.3.1.1 Evolution du profil de vitesse

Simulation
Expérience

2.3.1.2 Evolution du profil de l'intensité turbulente

Simulation
Expérience

2.3.2 Champ de vitesse dans le voisinage de l'obstacle

On vérifie la bonne répartition du champ des vitesses autour du cube.

Simulations numériques Résultats de Dargent[1996]
Simulations numériques Résultats de Dargent[1996]

2.3.3 Un résultat de transfert de polluant

Notre simulation se faît en présence de polluants non réactifs, en négligeant les phénomènes de flottabilité. La température du domaine est donc constante.

On obtient la diffusion de polluant suivante:

Composition du polluant: 70% CO,10% CO2
Vitesse d'éjection: 20m/s

Conditions limites sur le bord du domaine:
Symmetry sur les bords et le haut du domaine
Inlet en entrée
Outflow en sortie

Vitesse d'entrée de l'air: 5m/s

Champs décrits Contour du champ de vitesse axiale Contour du champ de concentration axiale

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3. Conclusion

3.1 Intérêt de l'étude

Cette tâche nous a certes permis de maîtriser de nouvelles fonctionnalités de Prebfc et du solveur (implémentation de fonctions personnalisées, possibilités de définir des fluides multi-constituants, richesse du post-processing), mais aussi de découvrir certains aspects des écoulements atmosphériques (rapports de thèse).

3.2 Achat d'un mailleur

Les possibilités de prebfc nous paraissent largement suffisante pour l'utilisation que nous pouvons en faire à l'N7.




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