DAUC-Dynamique de l'Atmosphère Urbaine et Côtière
L’équipe appuie ses recherches sur des approches complémentaires et indissociables pour la compréhension des processus physiques qui régissent le comportement de la basse atmosphère et leur prise en compte dans le contrôle de surface aérodynamique :
- La modélisation physique en soufflerie atmosphérique des écoulements turbulents
- L’observation micro-climatologique et météorologique en site réel
- La modélisation numérique multi-échelles de l’atmosphère urbaine et littorale
- La modélisation de type Entrée/Sortie pour l’extraction de la dynamique des écoulements contrôlés
Axes de recherche
L’équipe Dynamique de l’Atmosphère Urbaine et Côtière organise sa recherche en 4 axes.- Micro-climatologie urbaine
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L’objectif est de comprendre, évaluer et prédire le rôle des aménagements urbains sur le microclimat. Les transferts thermiques, hydriques et aérodynamiques entre les surfaces et l’atmosphère jouent un rôle déterminant sur les conditions microclimatiques spécifiques aux milieux urbanisés dont le phénomène le plus connu est la formation de l’îlot de chaleur. Une estimation correcte de ces transferts est donc nécessaire à la modélisation du microclimat à toutes les échelles d’étude de l’atmosphère urbaine (rue-quartier-ville).
La compréhension du fonctionnement du milieu urbain tenant compte de la contribution des différentes surfaces aux échanges avec l’atmosphère ou l’explication de la variabilité du microclimat au sein d’une même ville reposent sur : la mise en place de campagnes expérimentales in situ (ONEVU et campagnes expérimentales ciblées) et sur le développement de méthodes d’analyse des données adaptées à l’hétérogénéité du milieu ; le développement et l’application de modèles destinés à la simulation du microclimat urbain à l’échelle de l’agglomération, compatibles avec les informations disponibles dans les bases de données géographiques urbaines mais permettant une résolution spatiale assez fine pour rendre compte de l’hétérogénéité des quartiers qui composent la ville (en terme de morphologie et de propriétés des surfaces). L’accent a été mis ces dernières années sur le développement du modèle ARPS-Canopée.
- Dynamique des transferts turbulents entre la canopée urbaine et la basse atmosphère
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Les processus physiques pilotant les échanges de quantité de mouvement et de masse entre la canopée urbaine et la couche de surface atmosphérique sont le résultat d’interactions complexes mettant en jeu les structures turbulentes propres à la couche limite et celles qui se développent autour des obstacles. L’étude de leur dynamique instationnaire et de leurs interactions au sein de la sous-couche rugueuse, est nécessaire pour approfondir nos connaissances sur les processus de transferts, améliorer leur modélisation et leur représentation, en particulier dans les modèles adaptés à l’échelle urbaine, et enfin établir les relations entre la dynamique de l’écoulement et les échanges de polluants, afin de mettre en place des stratégies de modélisation adaptées à la dispersion en champ proche.
Les travaux menés sur ce thème s’appuient sur trois approches complémentaires que sont la modélisation physique en soufflerie atmosphérique associée à la technique de vélocimétrie par images de particules, la simulation des grandes échelles de la turbulence avec (ou sans) résolution explicite des obstacles et les mesures sur site réel (ONEVU) ou sur maquette d’éléments urbains en condition météorologique réelles.
Les applications visées portent sur la dispersion des polluants atmosphériques et sur le microclimat urbain (en relation avec l’axe précédent).
- Processus atmosphériques en site côtier complexe
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L’atmosphère des zones littorales est caractérisée par des phénomènes atmosphériques tels que les systèmes de brises, liés à la variation diurne des écarts de température mer-terre mais aussi influencés par les conditions météorologiques de plus grande échelle. Sur des sites côtiers à géographie complexe (baie, île, estuaire), le vent et la turbulence sont aussi conditionnés par des effets de sites à des échelles très locales et par les interactions entre la surface marine et l’atmosphère. Face à l’essor des fermes éoliennes offshore et aux problématiques liées à la dynamique des aérosols marins, notre objectif est d’aboutir à une meilleure compréhension et caractérisation des processus en jeu, qui peuvent devenir extrêmement complexes en présence d’effets topographiques ou urbains.
Cet axe de recherche s’appuie sur la modélisation multi-échelles de la couche limite atmosphérique en site réel, permettant de passer de l’échelle régionale à l’échelle du site avec une approche LES assez fine pour prendre en compte la complexité de la côte et l’inhomogénéité spatiale et temporelle des champs météorologiques (vent, turbulence, stratification thermique…). En parallèle, l’équipe est aussi fortement impliquée dans l’analyse des données météorologiques du site SEMREV et dans l’amélioration du dispositif expérimental, en vue de la caractérisation fine des processus atmosphériques. Ces travaux sont menés en collaboration avec les équipes EMO et SEM-REV du LHEEA.
- Interaction couche limite aérodynamique/contrôle/perturbations atmosphériques
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Bien que la connaissance de l’organisation intrinsèque d’une couche limite turbulente aérodynamique ait bien progressé ces dernières années, cela reste un défi de comprendre comment agir sur celle-ci pour en contrer les effets néfastes ou à l’inverse amplifier certains effets suivant l’application visée (réduction de la traînée, augmentation/diminution/manipulation de la portance, augmentation du mélange …). Dans de nombreuses applications, les perturbations liées au caractère inhomogène et instationnaire de la couche limite atmosphérique jouent aussi un rôle clé. Pour exemple, les variations de charges liées au passage d’une pale d’éolienne dans le gradient moyen de la couche limite atmosphérique et aux fortes variations du vent incident dans des topologies complexes de terrain sollicitent fortement la structure de l’éolienne en fatigue.
L‘objectif de cet axe est donc de développer une meilleure compréhension des interactions dynamiques de la couche limite aérodynamique perturbée (par le contrôle et/ou par la couche limite atmosphérique) et de fournir des modèles pour l’asservissement de l’écoulement (modèles de type entrées/sorties issus de l’automatique). Dans le cadre de l’ANR SMARTEOLE, deux prototypes de pale d’éolienne « intelligentes » avec capteurs et actionneurs intégrés ont été développés pour permettre l’intégration de jets de contrôle distribués et ainsi, des études sur l’optimisation des surfaces aérodynamiques. La perturbation imposée à la surface aérodynamique reste pour le moment simplifiée (variation moyenne du vent incident) mais l’objectif final est d’aboutir à des perturbations atmosphériques réalistes.
Cet axe de recherche s’appuie sur des approches expérimentales dans la soufflerie aérodynamique de l’équipe DAUC et numériques en collaboration avec l’équipeMETHRIC du LHEEA. Les applications visées sont orientées sur le contrôle de la couche limite aérodynamique sur les pales d’éoliennes pour la diminution des charges en fatigue des matériaux, mais concernent également le transport (drones, camions, trains …) où la dynamique de l’atmosphère joue un rôle de perturbation clé.
Principaux moyens expérimentaux de l’équipe
- Soufflerie Atmosphérique
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Cette soufflerie à circuit ouvert est dédiée à l’étude des écoulements de couche limite atmosphérique en interaction avec des canopées denses. Elle dispose d’une veine d’essais de 26m de long et de 2m x 2m de section et permet d’atteindre des vitesses d’écoulement de 10m/s. Elle est équipée de différents dispositifs de mesures d’écoulement dont la Vélocimétrie par Image de Particules stéréoscopique (SPIV).
- Soufflerie Aérodynamique
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Cette soufflerie à circuit fermé est dédiée aux développements des pales « intelligentes » d’éoliennes. Elle dispose d’une veine d’essais de 0,8m de long et de 0,5m x 0,5m de section et permet d’atteindre des vitesses d’écoulement de 40m/s. Elle est complétée par des systèmes d’acquisition temps réels .
- LiDAR-Light Detection And Ranging
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Le LHEEA s’est doté en 2019 d’un LiDAR scannant, un moyen de mesure innovant pour la caractérisation fine du vent et de l’atmosphère. Ses équipes l’exploiteront pour des applications liées aux énergies marines renouvelables (EMRs), à l’atmosphère urbaine et à la qualité de l’air.
- Observatoire Nantais des Environnements Urbains (ONEVU)
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Cet observatoire dédié aux environnements urbains a pour vocation le suivi de long terme en hydrologie, micro-météorologie, climatologie, qualité de l’air, de l’eau et des sols. Dans le cadre de l’Institut de Recherche en Sciences et Techniques de la Ville (IRSTV, FR CNRS 2488), l’équipe y développe l’instrumentation nécessaire à l’analyse des relations entre le tissu urbain et le microclimat local (mesures de flux, vent, température et humidité) et à l’établissement des bilans d’énergie.