Modélisation d'une population d'aérosols multi-sources et recherche des contributions de chaque source à l'échelle urbaine avec le modèle de dispersion CHIMERE PDF Download
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Author: Hilel Dergaoui
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Languages : en
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Book Description
L'objectif de cette thèse est le développement et la validation d'un modèle numérique de la dynamique des particules en mélange externe et résolu en taille. Afin de suivre plusieurs compositions chimiques par classe de tailles, une nouvelle approche est présentée dans laquelle la composition chimique des particules est elle-même discrétisée suivant la fraction d'un ou plusieurs des constituants chimiques (e.g. suie, sulfate). Cette approche a pour but de mieux simuler l'évolution d'une population de particules à l'échelle locale et de particulariser des compositions chimiques typiques de certaines sources. Dans l'atmosphère, les particules interagissent essentiellement entre elles et avec les polluants gazeux par coagulation et condensation/évaporation. La première partie de la thèse a été consacrée à l'élaboration du modèle pour la coagulation, processus physique qui s'avère le plus complexe à modéliser selon notre approche du mélange externe. Dans un premier temps, les équations de la coagulation en mélange externe sont présentées et discrétisées suivant un nombre arbitraire de classe de tailles et de compositions chimiques. Plusieurs simulations numériques ont ensuite été effectuées avec ce modèle sur un même cas d'étude, en utilisant deux, trois et quatre composants chimiques. On vérifie à chaque fois que les résultats de la simulation numérique en mélange externe sont cohérents avec ceux du mélange interne du cas d'étude. Les résultats de ces simulations permettent d'apprécier l'effet de mélange de la coagulation qui produit, à partir de particules monocomposées, des particules bicomposées et tricomposées. Étant donné la complexité croissante d'un tel modèle, une attention toute particulière a été portée à l'implémentation numérique et à l'optimisation des algorithmes choisis. L'extension de cette approche à la condensation/évaporation constitue le prochain développement de ce modèle, nous en posons les bases théoriques en annexe. S'il existe aujourd'hui des données de mesure résolues en taille (SMPS), il n'y en a pas encore qui puissent être réellement validantes pour ce modèle de mélange externe, c'est-à-dire qui distinguent quantitativement plusieurs compositions chimiques par classe de taille. Aussi, dans la seconde partie de la thèse, nous avons envisagé le protocole d'une expérience en chambre permettant de mettre en évidence le mélange par coagulation de deux populations de particules de compositions différentes et d'apporter des données validantes pour le modèle développé. Deux séries d'expériences ont été menées, la première dans la chambre de grand volume CESAM et la seconde, dans le réacteur de petit volume de l'INERIS. La première série a mis en évidence l'homococagulation de chaque distribution polydispersée prise séparément et dans une moindre mesure, l'hétérocoagulation des deux distributions de nature différentes (NaBr et KBr) entre elles. La seconde série a montré la possibilité d'observer simultanément deux distributions monodispersées de particules de compositions différentes (CaSO4 et KBr), prérequis pour ce cas. Au final, les résultats de mesure se sont avérés insuffisants pour produire des données validantes pour le modèle, à cause du trop grand écart-type des distributions polydispersées dans la chambre de grand volume et à cause du dépôt au paroi qui domine dans le réacteur de petit volume. Des analyses au microscope électronique ont cependant attesté de la présence de particules issues de la coagulation entre les deux natures. A la suite des différentes expériences menées, nous revenons sur le protocole envisagé et proposons quelques pistes d'améliorations.
Author: Hilel Dergaoui
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L'objectif de cette thèse est le développement et la validation d'un modèle numérique de la dynamique des particules en mélange externe et résolu en taille. Afin de suivre plusieurs compositions chimiques par classe de tailles, une nouvelle approche est présentée dans laquelle la composition chimique des particules est elle-même discrétisée suivant la fraction d'un ou plusieurs des constituants chimiques (e.g. suie, sulfate). Cette approche a pour but de mieux simuler l'évolution d'une population de particules à l'échelle locale et de particulariser des compositions chimiques typiques de certaines sources. Dans l'atmosphère, les particules interagissent essentiellement entre elles et avec les polluants gazeux par coagulation et condensation/évaporation. La première partie de la thèse a été consacrée à l'élaboration du modèle pour la coagulation, processus physique qui s'avère le plus complexe à modéliser selon notre approche du mélange externe. Dans un premier temps, les équations de la coagulation en mélange externe sont présentées et discrétisées suivant un nombre arbitraire de classe de tailles et de compositions chimiques. Plusieurs simulations numériques ont ensuite été effectuées avec ce modèle sur un même cas d'étude, en utilisant deux, trois et quatre composants chimiques. On vérifie à chaque fois que les résultats de la simulation numérique en mélange externe sont cohérents avec ceux du mélange interne du cas d'étude. Les résultats de ces simulations permettent d'apprécier l'effet de mélange de la coagulation qui produit, à partir de particules monocomposées, des particules bicomposées et tricomposées. Étant donné la complexité croissante d'un tel modèle, une attention toute particulière a été portée à l'implémentation numérique et à l'optimisation des algorithmes choisis. L'extension de cette approche à la condensation/évaporation constitue le prochain développement de ce modèle, nous en posons les bases théoriques en annexe. S'il existe aujourd'hui des données de mesure résolues en taille (SMPS), il n'y en a pas encore qui puissent être réellement validantes pour ce modèle de mélange externe, c'est-à-dire qui distinguent quantitativement plusieurs compositions chimiques par classe de taille. Aussi, dans la seconde partie de la thèse, nous avons envisagé le protocole d'une expérience en chambre permettant de mettre en évidence le mélange par coagulation de deux populations de particules de compositions différentes et d'apporter des données validantes pour le modèle développé. Deux séries d'expériences ont été menées, la première dans la chambre de grand volume CESAM et la seconde, dans le réacteur de petit volume de l'INERIS. La première série a mis en évidence l'homococagulation de chaque distribution polydispersée prise séparément et dans une moindre mesure, l'hétérocoagulation des deux distributions de nature différentes (NaBr et KBr) entre elles. La seconde série a montré la possibilité d'observer simultanément deux distributions monodispersées de particules de compositions différentes (CaSO4 et KBr), prérequis pour ce cas. Au final, les résultats de mesure se sont avérés insuffisants pour produire des données validantes pour le modèle, à cause du trop grand écart-type des distributions polydispersées dans la chambre de grand volume et à cause du dépôt au paroi qui domine dans le réacteur de petit volume. Des analyses au microscope électronique ont cependant attesté de la présence de particules issues de la coagulation entre les deux natures. A la suite des différentes expériences menées, nous revenons sur le protocole envisagé et proposons quelques pistes d'améliorations.
Author: Chi Vuong Nguyen
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Languages : fr
Pages : 285
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Book Description
La surveillance de la qualité de l'air est actuellement effectuée avec des mesures de concentration et à partir d'outils de modélisation de la dispersion atmosphérique. Ces modèles numériques évaluent les concentrations des polluants avec une résolution spatio-temporelle plus fine que les mesures. Néanmoins, les estimations fournies par ces modèles sont moins précises que les mesures. Dans ce projet de recherche, nous avons étudié les approches de couplage d'échelles et d'assimilation de données pour améliorer les estimations fournies par le modèle de dispersion atmosphérique SIRANE, dédié à l'échelle urbaine. L'approche de couplage d'échelles consiste à déterminer les conditions aux limites d'une simulation à partir d'une autre simulation à plus grande échelle. Au cours de ce travail de thèse, nous avons analysé trois méthodes afin de coupler le modèle urbain SIRANE et le modèle à méso-échelle CHIMERE. Cette étude montre que ces méthodes permettent potentiellement d'estimer la qualité de l'air à l'échelle urbaine de manière plus satisfaisante que les modèles à méso-échelle (utilisés seuls). Cependant, elles n'améliorent pas forcément la modélisation des conditions aux limites d'une simulation à l'échelle urbaine et les estimations fournies par celles-ci. Cela est a priori lié au fait que les estimations fournies par le modèle CHIMERE ne sont pas suffisamment satisfaisantes sur notre cas d'étude. Il est néanmoins possible que ces méthodes améliorent les résultats à l'échelle urbaine en utilisant une simulation à l'échelle régionale de meilleure qualité. L'approche d'assimilation de données consiste à combiner les mesures et les données modélisées afin de déterminer la meilleure estimation de l'état d'un système. Durant cette thèse, nous avons étudié trois méthodes d'assimilation de données : la méthode de débiaisement, la méthode que nous avons nommée modulation de la contribution des sources et la méthode Best Linear Unbiased Estimator. Cette étude indique que ces méthodes permettent globalement d'améliorer les estimations fournies par le modèle SIRANE. L'étude de sensibilité vis-à-vis du nombre de mesures utilisées lors de l'assimilation de données indique qu'en général, plus ce nombre est élevé plus les résultats sont satisfaisants. Enfin, les résultats montrent que les performances statistiques associées à ces trois méthodes d'assimilation de données sont globalement comparables entre elles sur notre cas d'étude.
Author: Lionel Soulhac
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Languages : fr
Pages : 345
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Book Description
Afin d'évaluer les conséquences de la pollution atmosphérique sur la santé et l'environnement, les pouvoirs publics ont souvent besoin d'outils de modélisation fine, permettant d'appréhender l'impact d'un aménagement local, de prévoir les niveaux de concentration et d'informer la population. Le problème, posé par la simulation de la dispersion des polluants à l'échelle locale, est de parvenir à étudier beaucoup de scénarios en prenant en compte un très grand nombre de bâtiments complexes. Pour cela, il est souvent indispensable de développer des approches simplifiées, dans lesquelles seuls les phénomènes physiques prépondérants sont représentés. Dans cet esprit, la modélisation de la canopée urbaine s'appuie généralement sur la notion élémentaire de rue-canyon. Si ce sujet a fait l'objet de nombreuses études dans le passé, plusieurs interrogations subsistent encore concernant les phénomènes mis en jeu à l'intérieur d'une rue et les interactions entre plusieurs rues. Les objectifs de cette étude sont de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent l'écoulement et la dispersion dans une rue et d'en proposer une représentation simplifiée à travers des modélisations opérationnelles. Pour cela, nous avons utilisé des techniques de modélisation numérique et expérimentale. L'approche numérique a été basée sur le code de calcul MERCURE (RANS, du type k-є), adapté à la simulation tridimensionnelle des écoulements atmosphériques. L'approche expérimentale a été mise en œuvre dans la soufflerie atmosphérique de l'École Centrale de Lyon. Les techniques de mesures utilisées (LDA, FID) ont permis de décrire avec précision les champs de vitesse et de concentration à l'échelle d'une rue. Afin d'évaluer l'influence de la géométrie de la rue (rapport d'aspect, dissymétrie) sur la dispersion par vent perpendiculaire, nous avons développé un modèle, basé sur une résolution analytique de l'équation d'advection-diffusion dans un écoulement potentiel. Les comparaisons avec les simulations numériques et expérimentales fournissent des résultats encourageants. Pour décrire le cas d'un vent d'orientation quelconque, nous proposons une décomposition de l'écoulement par rapport aux composantes longitudinales et transversales. Cette décomposition s'avère réaliste dans le cas d'une rue infinie, mais elle est mise en défaut pour une rue de longueur finie. Nous avons ensuite étudié et paramétré les échanges de matière au niveau des intersections en fonction de la géométrie des rues et de la direction du vent. Les résultats indiquent une interaction importante entre l'écoulement dans la rue et dans l'intersection. Enfin, nous avons proposé un modèle permettant d'étendre l'approche rue-canyon à la simulation d'un réseau de rues inter-connectées, afin de pouvoir étudier la dispersion des polluants à l'échelle d'un quartier. Une première application du modèle de dispersion dans un réseau de rues a été réalisée pour étudier la pollution dans un quartier de la ville de Lyon. Les comparaisons effectuées avec des mesures de terrain permettent de confirmer le bon comportement du modèle et illustrent les différentes potentialités de cette approche.
Author: Markus Lipphardt
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Languages : fr
Pages : 202
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Book Description
CE TRAVAIL DE RECHERCHE EST AXE SUR LE DEVELOPPEMENT ET LA VALIDATION D'UN MODELE DE PANACHE D'UNE SOURCE PONCTUELLE AFIN D'APPORTER A UN MODELE DE QUALITE DE L'AIR A L'ECHELLE REGIONALE LA POSSIBILITE D'AFFINER LA PRISE EN COMPTE DES SOURCES D'EMISSIONS INTENSES DE TAILLE INFERIEURES A LA RESOLUTION DU MODELE. DANS LA MODELISATION DU PANACHE, QUATRE NIVEAUX DE COMPLEXITE CROISSANTE SONT ETUDIES. LES MODELES DE PANACHE SONT VALIDES ISOLEMENT DU MODELE A L'ECHELLE REGIONALE PAR CONFRONTATION AUX EXPERIENCES. DANS LES SITUATIONS ETUDIEES, LE MODELE A COURONNES DE FREIBURG ET LUSIS DONNE DE MEILLEURS RESULTATS MAIS LE CALCUL EST RELATIVEMENT LOURD. LE MODELE PROFIL GAUSSIEN AVEC CHIMIE QUELCONQUE EST PLUS RAPIDE ET FOURNIT LE LONG DE L'AXE DU PANACHE DES RESULTATS COMPARABLES A CEUX DU MODELE A COURONNES. LA SURELEVATION DU PANACHE EST DETERMINEE PAR LE MODELE DE NETTERVILLE. IL UTILISE DES PARAMETRES DE TURBULENCE ET DE STABILITE DE L'ATMOSPHERE. ENSUITE, UN MODELE DE COUPLAGE ENTRE LA DISPERSION DU PANACHE EST LA CHIMIE EST DEVELOPPE. IL EST INTEGRE DANS LE MODELE A COURONNES. LA COMPARAISON ENTRE LES RESULTATS DE CALCUL SANS ET AVEC PRISE EN COMPTE DU COUPLAGE MONTRE L'IMPORTANCE DE L'EFFET DE LA TURBULENCE A PETITE ECHELLE SUR LES CONCENTRATIONS MOYENNES DANS UN PANACHE CHIMIQUEMENT REACTIF. LE MODELE DE COUPLAGE EST CONFRONTE AUX MESURES EFFECTUEES EN SOUFFLERIE PAR BUILTJES ET IL EST COMPARE AVEC LE MODELE DE COUPLAGE PROPOSE PAR GEORGOPOULOS ET SEINFELD. DANS LES DEUX CAS, LES COMPARAISONS SONT TRES SATISFAISANTES. PUIS, LE MODELE DU PANACHE EST INTEGRE DANS LE MODELE EULERIEN DE TRANSPORT/CHIMIE AIRQUAL. LE PANACHE EST REPRESENTE PAR SERIE DE BOUFFEES ET L'INTERFACE ENTRE AIRQUAL ET LE SOUS-MODELE DE PANACHE EST ELABOREE DE MANIERE A DECRIRE L'INTERACTION ENTRER LES DEUX ECHELLES. ENFIN, UNE SIMULATION D'UN EPISODE DE POLLUTION SUR LA REGION PARISIENNE EST REALISEE. LE SOUS-MODELE DE PANACHE EST APPLIQUE AUX EMISSIONS DE LA CENTRALE THERMIQUE DANS LE VAL DE MARNE. DES CALCULS D'AIRQUAL SANS ET AVEC LE SOUS-MODELE DE PANACHE SONT EFFECTUES. LA COMPARAISON MONTRE QUE LA PRISE EN COMPTE DES EMISSIONS DE LA SOURCE PAR LE SOUS-MODELE A UNE IMPORTANCE TRES SIGNIFICATIVE EN AVAL DE LA SOURCE JUSQU'A DES ZONES RELATIVEMENT ELOIGNEES.
Author: Laurent Menut
Publisher: ISTE Group
ISBN: 1789481023
Category : Science
Languages : fr
Pages : 260
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Book Description
Si l’étude des problèmes de pollution atmosphérique est déjà ancienne, la prise de conscience de l’impact de l’humain sur la dégradation de son propre environnement est récente. Que ces impacts soient directs et rapides, ou lents et indirects, le développement d’un modèle de chimie-transport peut apporter des réponses à des questions telles que : quels sont les impacts des polluants sur la santé ? Quel est l’impact de la pollution sur le climat ? Modélisation de la pollution atmosphérique régionale reprend les différents principes de base et les étapes de la modélisation : définition, observations, outils, approches, techniques numériques sont ainsi présentés. La modélisation étant une simplification de la réalité dans un cadre d’étude particulier, on cherchera à montrer si les processus à représenter, comme les émissions, la chimie ou les dépôts, sont bien modélisés. Pour chaque processus, l’ouvrage présente les hypothèses simplificatrices qui ont été faites, étudie les voies d’amélioration possibles et examine l’impact de ces simplifications sur les résultats recherchés.
Author: Audrey Lottmann
Publisher:
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
Du fait de leurs effets négatifs sur la santé humaine et sur l’environnement en général, les particules atmosphériques méritent notre attention. La réglementation européenne est d’ailleurs en pleine évolution. En France, la caractérisation de la composition chimique de la matière organique particulaire est encore largement insuffisante. Ce travail s’inscrit dans la problématique générale d’une meilleure connaissance de la composante organique de l’aérosol. Dans un premier temps, une étude bibliographique approfondie a permis de révéler les sources dominantes d’aérosols organiques en zone urbaine. La circulation automobile, les émissions liées à la combustion de biomasse ainsi que les émissions liées aux activités de cuisine en ressortent comme majoritaires. Il s’agit alors de sélectionner les traceurs qui s’y rapportent, et devant répondre à un certain nombre de critères. Nous nous sommes néanmoins interrogés quant à la validité de ces traceurs, et avons mené un certain nombre de tests à la source. Des prélèvements de particules PM10 et PM2.5 ont été effectués sur un site urbain de fond à Strasbourg (67), sur une durée d’une année, afin de mettre en évidence une variabilité de la composition chimique de l'aérosol organique, ainsi que l'influence de telle ou telle source. Des collectes ont également été réalisées sur le site du Centre de Recherche TOTAL de Solaize (69), afin de disposer de prélèvements soumis à une influence industrielle et autoroutière directe. Une fois collectées sur le filtre en quartz par des collecteurs grand volume Digitel DA 80, les particules sont extraites au soxhlet, puis séparées en 3 fractions par Chromatographie Flash afin de diminuer le bruit de fond, pour être ensuite analysées.-fraction apolaire : les alcanes linéaires, le phytane et le pristane par CG-DIF en étalonnage externe ;-fraction semi polaire : les HAP sont analysées par CLHP, en étalonnage externe ; le cholestérol est analysé par CG-SM avec ajout d’un étalon interne, après une dérivatisation au BSTFA + 1% TMCS ; l’analyse du benzothiazole a été tentée par CG-SM mais n’a cependant pas abouti ;-fraction polaire : le levoglucosan est analysé par CG-SM avec ajout d’un étalon interne, après une dérivatisation au BSTFA + 1% TMCS ; les acides n-carboxyliques et les méthoxyphénols sont analysés avec ajout d’un étalon interne, après une dérivatisation au MBDSTFA.Il ressort de cette étude que les concentrations observées à Strasbourg, considéré comme un site urbain de fond, sont généralement plus basses que dans la littérature, où les études sont menées généralement dans de grandes métropoles de Chine ou des Etats Unis par exemple. Strasbourg reste néanmoins une ville relativement touchée par les activités anthropiques (circulation, cuisine, chauffage). Une nette influence saisonnière a été mise en évidence, avec des concentrations plus élevées en hiver qu’en été. Les concentrations relevées à Solaize sont bien plus élevées que celles de Strasbourg (caractéristiques d’un site urbain de fond), reflétant l’activité industrielle, en plus d’une circulation autoroutière marquée.
Author: Collectif
Publisher: IRD Éditions
ISBN: 2709922207
Category : Nature
Languages : en
Pages : 736
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Book Description
This book has been published by Allenvi (French National Alliance for Environmental Research) to coincide with the 22nd Conference of Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change (COP22) in Marrakesh. It is the outcome of work by academic researchers on both sides of the Mediterranean and provides a remarkable scientific review of the mechanisms of climate change and its impacts on the environment, the economy, health and Mediterranean societies. It will also be valuable in developing responses that draw on “scientific evidence” to address the issues of adaptation, resource conservation, solutions and risk prevention. Reflecting the full complexity of the Mediterranean environment, the book is a major scientific contribution to the climate issue, where various scientific considerations converge to break down the boundaries between disciplines.
