Type de document

Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2014

Langue

Anglais

Résumé

La prédiction de la dispersion des émissions polluantes de cheminées de toit en milieu urbain est extrêmement complexe, tout particulièrement en présence de bâtiments voisins. Le comportement du panache dépend des caractéristiques du vent, mais il est aussi lourdement influencé par l’environnement. Il se peut ainsi que les effluents émis par une cheminée de toit se réintroduisent dans le bâtiment émetteur ou dans un bâtiment adjacent, exposant du coup les occupants à d’éventuels problèmes de santé. La conception et l’implantation optimales de cheminées d’évacuation pour limiter une telle réingestion au niveau des prises d’air et d’autres points sensibles peuvent constituer des défis de taille. Malheureusement, l’état d’avancement actuel de la modélisation de la dispersion, notamment autour d’une configuration de bâtiments non isolés, ne permet pas d’obtenir des estimations suffisamment précises pour éviter de telles situations. Par conséquent, il s’avère nécessaire de développer un nouveau modèle ou de modifier un modèle existant pour prendre en compte les effets de la dispersion des effluents et pour évaluer précisément l’impact des bâtiments qui se trouvent dans le voisinage immédiat de la source de polluants. Afin d’aborder cette question, un programme de recherche coopérative axé sur la modélisation numérique et expérimentale a été mis sur pied entre l’Université Concordia et l’IRSST. Le présent rapport se concentre sur le volet de modélisation numérique de la recherche, les résultats expérimentaux ayant été publiés dans un rapport complémentaire (Stathopoulos et al., 2014).

Cette étude avait pour but de favoriser une meilleure compréhension de l’aérodynamique de la pollution atmosphérique dans les zones urbaines en mettant l’accent sur les configurations de bâtiments non isolés les plus représentatives : un bâtiment situé en amont d’un bâtiment émetteur, un bâtiment situé en aval d’un bâtiment émetteur, et un bâtiment situé de part et d’autre (en amont et en aval) d’un bâtiment émetteur. Ces différents cas ont tous été comparés à un cas de référence, à savoir celui d’un bâtiment isolé. L’effet de bâtiments adjacents dans le champ proche d’une source d’émissions polluantes a été analysé sous l’angle de la distribution de la dilution sur le toit d’un bâtiment émetteur.

La méthodologie de recherche utilisée fait appel à la mécanique des fluides numérique (CFD) pour étudier la dispersion des polluants autour d’un groupe de bâtiments. Cet outil fournit des renseignements détaillés sur les profils d’écoulement et les champs de concentration (ou de dilution) en résolvant les équations d’écoulement dans l’ensemble du domaine de calcul. La fiabilité des simulations numériques est une des principales préoccupations de cette étude ; par conséquent, la validation des résultats par le biais de comparaisons avec les données de soufflerie recueillies au cours de la phase expérimentale de l’étude menée à l’Université Concordia est incluse dans le présent rapport. La qualité du maillage, les conditions limites, le choix des modèles de turbulence, le traitement des parois et les paramètres numériques font partie des éléments qui peuvent être calibrés par comparaison avec les données expérimentales.

Pour atteindre notre objectif, deux étapes sont proposées. La première consiste à réunir suffisamment d’information des paramètres nécessaires pour la simulations CFD de l’écoulement de l’air et la dispersion de polluants en milieu urbain. Une attention particulière est accordée aux processus de transport afin de construire le meilleur modèle numérique possible pour de telles applications. La deuxième étape consiste en une analyse paramétrique de divers cas de dispersion de polluants en milieu urbain. Les résultats sont présentés en termes de dilution normalisée au niveau du toit d’un bâtiment émetteur, mais aussi sous forme d’iso-contours de dilution et de lignes de courant illustrant le profil de l’écoulement de l’air pour toutes les configurations de bâtiments analysées. La première étape a permis de constater qu’en général, les simulations CFD stationnaires tendent à sous-estimer la dilution par rapport aux résultats obtenus en soufflerie. Cette sous-estimation est probablement due à l’incapacité inhérente des équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds (RANS) à rendre compte des fluctuations de l’écoulement. Un ajustement de la valeur du nombre de Schmidt turbulent (Sct) permet d’obtenir une meilleure concordance avec les données expérimentales. En effet, une réduction du Sct permet d’augmenter la diffusion turbulente, et conséquemment la dilution des polluants. L’analyse paramétrique (deuxième étape) a fourni de précieux renseignements sur la distribution des scalaires et les champs de vitesse, de même que sur les structures tourbillonnaires qui se forment sous le vent et entre les bâtiments. La connaissance de la façon dont ces caractéristiques de l’écoulement interagissent avec l’environnement est essentielle à une meilleure compréhension de la dispersion des polluants en milieu urbain.

Abstract

The prediction of pollutant dispersion from rooftop emissions in an urban environment is an extremely complex phenomenon particularly in the vicinity of a group of buildings. The plume behaviour depends on the wind characteristics but is also severely affected by the surroundings. This causes effluents released from stacks located on one of the buildings to re-enter the same or an adjacent building, causing potential health problems to its occupants. The optimal design and placement of exhaust stacks to limit this re-ingestion on air intakes and other sensitive locations can be a considerable challenge. Unfortunately, the state-of-the-art of dispersion modeling, particularly around a non-isolated building configuration, is not sufficiently advanced for accurate predictions in order to avoid such situations. Therefore, there is a need to develop a new model or modify an existing model to take into account the effects of dispersion of effluents and in particular focus on the impact of buildings that are in close proximity of the source of pollutants. To address this issue, a collaborative research program between Concordia University and IRSST was elaborated relying both on experimental and numerical modeling. The experimental findings have been published in a companion report (Stathopoulos et al. 2014) while the current report focuses on the numerical modeling phase of the research.

The purpose of this study was to contribute to a better understanding of air pollution aerodynamics in urban areas by focusing on the most representative non-isolated building configurations: a building located upstream of an emitting building, a building located downstream of an emitting building and two buildings, one located upstream and the other one located downstream of an emitting building. All these cases were compared with a reference case: an isolated emitting building. The effect of adjacent buildings on the near field of a pollutant source was analysed in terms of dilution distribution on the roof of an emitting building.

The current research methodology uses Computational Fluid Dynamics (CFD) to study pollutant dispersion in the vicinity of a cluster of buildings. This tool provides detailed information on flow pattern and concentration (or dilution) fields by solving the flow equations in the entire computational domain. Numerical simulation reliability is one of the main concerns of this study; therefore, validation of results through comparisons with wind tunnel data collected during the experimental phase conducted at Concordia University is included in this report. Mesh quality, boundary conditions, turbulence model choice, wall treatment and numerical parameters are some of the elements that can be calibrated through comparison with experimental data.

To achieve our objective, two steps are suggested; the first step is to generate sufficient information regarding the setup of CFD simulations for flow and dispersion in urban areas. Special attention is paid to transport processes in order to build the best numerical model possible for such applications. The second step is a parametric analysis for diverse cases of pollutant dispersion in an urban area. The results are presented in terms of normalized dilution at roof level of an emitting building, but also as iso-contour planes of dilution field and stream lines showing the airflow pattern of all the configurations analysed. From the first step it was observed that in general steady CFD simulations tend to underestimate dilution when comparing with wind tunnel results. This underestimation is probably caused by the inherent incapability of RANS to capture unsteadiness of the flow. An adjustment in the value of turbulent Schmidt number (Sct) permits to obtain a better agreement with experiment data. In fact, reducing Sct permits to increase turbulent diffusion and then increase dilution of the pollutant. The parametric analysis (second step) produced valuable information about scalars and velocity fields as well as about vortical structures formed in the leeward side and between buildings. Knowing how these flow characteristics interact with the surroundings is essential to improve the understanding of pollutant dispersion within an urban area.

ISBN

9782896317684

Mots-clés

Distribution des polluants atmosphériques, Distribution of air pollutants, Cheminée, Chimney, Zone urbaine, Urban area, Bâtiment, Building, Pollution atmosphérique, Atmospheric pollution, Mécanique des fluides, Fluid mechanics, Québec

Numéro de projet IRSST

0099-7590

Numéro de publication IRSST

R-849

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