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.