Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : Modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement - Centre d’Énergétique et de Thermique de Lyon
Thèse Année : 2024

Radiation-atmosphere interactions in urban environments : Advanced modeling and analysis of their effects on cooling

Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : Modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement

Félix Schmitt
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1480857
  • IdRef : 282209743

Résumé

With an increasing world urbanization and more and more intense and frequent heatwaves, UHI have harmful impacts on city-dwellers’ comfort and health. Predicting urban microclimatic conditions is thus crucial in order to understand and attenuate urban overheating. This thesis intends to give a tool to perform advanced micro-meteorological simulations, capable of precisely modeling interactions between thermal infrared (TIR) radiation and urban atmosphere at micro-scale. This tool combines a computational fluid dynamics (CFD) solver based on the lattice Boltzmann method and performing large eddy simulations, and a TIR radiative solver in participating media. First, the TIR solver is applied in a street canyon configuration whose walls are hotter than air. Results show that mean absorbed TIR fluxes can be overestimated by 4 to 12 W/m2 at walls when the canyon air is taken transparent, for a street aspect ratio between 0.75 and 2.4. Secondly, simulations of mixed convection are carried out in a street canyon configuration at reduced scale, whose street walls are heated, allowing to validate the solver ability to reproduce the mean and turbulent features of mixed airflow and associated heat transfers, by comparison to reference wind tunnel measures. Eventually, coupled micro-meteorological TIR-CFD simulations in a street canyon at real scale, under realistic meteorological boundary conditions, are carried out in order to determine the impact of TIR/air interactions on airflow dynamics and nighttime wall cooling after sunset. Results show that the mixed airflow is not affected by the interactions. The mean surface cooling is 4 to 8 % faster with the interactions. This overall work strengthen the feasibility of a high modeling level in a street canyon configuration for dynamic studies of urban microclimates under the influence of TIR/atmosphere interactions.
Avec l'urbanisation mondiale croissante et des vagues de chaleur de plus en plus intenses et fréquentes, la surchauffe urbaine a des conséquences délétères sur le confort et la santé des citadins. Prédire les conditions microclimatiques urbaines est dès lors crucial pour comprendre et atténuer cette surchauffe. Ce travail de thèse propose un modèle micro-météorologique avancé, capable de simuler les interactions entre rayonnement infrarouge thermique (IRT) et atmosphère urbaine à micro-échelle. Il s’agit du couplage entre un solveur CFD basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau et la simulation des grandes échelles, et un solveur IRT en milieu participant. Le solveur IRT est d’abord appliqué dans une rue canyon dont les parois sont plus chaudes que l'air. Les résultats montrent que le flux IRT moyen absorbé aux parois est surestimé de 4 à 12 W/m2 en considérant l'air comme transparent, pour un rapport d'aspect compris entre 0,75 et 2,4. Des simulations de convection mixte sont ensuite réalisées dans une rue canyon à échelle réduite, dont les parois sont chauffées, démontrant la capacité du solveur à reproduire les caractéristiques moyennes et turbulentes de l'écoulement mixte et des transferts de chaleur, par comparaison des solutions à des mesures en soufflerie. Enfin, des simulations micro-météorologiques couplées IRT-CFD dans une rue canyon à échelle réelle, sous des conditions météorologiques réalistes, sont effectuées afin d’évaluer l’impact des interactions IRT/air sur l’écoulement et le rafraîchissement de la rue après le coucher du soleil. Les résultats indiquent que l'écoulement mixte n’est pas affecté par les interactions. Le refroidissement moyen de surface est 4 à 8 % plus rapide avec les interactions. L'ensemble de ce travail conforte la pertinence d'un niveau de modélisation élevé dans une configuration de rue pour l'étude dynamique des microclimats urbains sous l'influence des interactions IRT/atmosphère.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04846802 , version 1 (18-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04846802 , version 1

Citer

Félix Schmitt. Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : Modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement. Thermique [physics.class-ph]. INSA de Lyon, 2024. Français. ⟨NNT : 2024ISAL0071⟩. ⟨tel-04846802⟩
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