Optimisation des méthodes de modélisation de la pollution du trafic automobile

2.1.2 Forme des toits

Pour traiter toujours l'aspect architectural des street-canyons et son impact sur la ventilation et le renouvellement de l'air dans les zones urbaines, on a ajouté dans cette simulation des toits inclinés avec un angle d'inclinaison de 45°, avec l'ordre suivant :

· sur l'immeuble lee-ward.

· sur l'immeuble wind-ward.

· sur les deux immeubles (lee-ward et wind-ward).

Cette simulation est inspirée par les études expérimentales à l'Université de Karlsruhe pour étudier l'influence de la forme du toit (Kastner-Klein et Plate, 1999), dans le cadre du projet TRAPOS. Les figures 51 montrent la distribution de la vitesse moyenne ainsi que le système des vortex dans les trois types de street-canyon.

Le street-canyon « w/h=1 », avec des toits plats est considéré comme un cas de référence pour la comparaison des résultats obtenus avec les street-canyons avec des toits inclinés.

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Figure 49: Rue de type canyon avec un rapport d'aspect W / H supérieur à 2,5
(rugosité isolée), compris entre 1,54 et 2,5 (interférence de sillage), et inférieur à 1,54
(rasant), (Oke 1987).

Figure 50 : Allure de la structure de l'écoulement autour de cubes dans un flux
turbulent. A : recirculation latérale, B : recirculation de toiture, C : vortex en « fer à
cheval », D : bulle de sillage (Meinders et al, 1998).

Figure 51: Variation des champs et des contours des vitesses avec le rapport
d'aspect w/h=1 avec un toit wind-ward incliné.

Il est bien clair dans les résultats de street-canyon avec un toit placé sur l'immeuble wind-ward, on choisi ce cas pour confirmer que la modification de la

forme du toit du bâtiment wind-ward a une influence négligeable sur la structure de l'écoulement moyen dans la rue (Figure 51), par rapport au scénario de référence.

D'autre part, une modification du toit sur le bâtiment lee-ward change de manière significative le système de vortex dans la rue. On constate a partir de la figure 52, la présence des deux vortex, un au niveau du toit du bâtiment lee-ward et s'étendant transversalement au dessus du bâtiment wind-ward avec un toit plat et dans le sens des aiguilles d'une montre. Les vitesses caractérisant ce vortex ont un intervalle de -0.6 à 2(m/s). L'autre vortex occupe le street-canyon avec un sens de rotation opposé au vortex supérieur. Les vitesses varient entre -0.2 et 0.2 (m/s). On note que le vortex supérieur possède des vitesses assez élevées que le vortex inferieur. L'écoulement entre deux bâtiments qui ont des toits inclinés (figure 52), se caractérise d'un système de vortex similaires au cas décrit précedemment.de street-canyon. Deux vortex opposés sont ainsi observés. Le vortex supérieur est restreint entre les deux extrémités des toits inclinés et qui tend à inciter le vortex inferieur dans la limite supérieur de street-canyon. Les vitesses sont comprises entre -0.1 (m/s) et 1.8 (m/s) pour le vortex au niveau des toits et entre -0.1 (m/s) et 0.1 (m/s) pour le vortex au niveau du street-canyon. On remarque aussi dans ce cas, que les vitesses du vortex inferieur est plus faible par rapport au vortex supérieur.

Figure 52 : Variation des champs et des contours des vitesses avec le rapport
d'aspect « w/h=1 » avec un toit lee-ward incliné (à gauche) et avec deux toits inclinés
(à droite).

Par rapport au cas de référence (avec des toits plats), marqué par la présence d'un vortex unique principal, on remarque que la présence des toits inclinés sur l'immeuble lee-ward, en général, conduit à un déplacement de ce vortex principal à un haut niveau (entre les toits) et le développement d'un contre vortex occupant la cavité et avec des vitesses moins intenses. Une autre remarque, à propos des distributions de vitesses, il y'a un déplacement vertical induit par la forme des toits inclinés qui tend à dévier les vitesses.

Certaines instabilités de la couche cisaillée au niveau des toits sont responsables de la perturbation du mélange. La sensibilité de la couche cisaillée par la forme des toits a une influence significative sur la ventilation d'un street-canyon. Le cas des toits inclinés montre des valeurs de déformation pour la vitesse verticale prés des toits. Cette déformation indique une perturbation du mouvement vertical

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causé par la structure turbulente cohérente. Comme référence les résultats de de Christen en 2005 ont montré une dynamique d'écoulement différente pour le cas des toits plats et des toits inclinés avec une déformation au niveau des vitesses verticales. Ceci indique une diminution dans l'échange vertical causé par le déplacement d'une structure turbulente présente dans le cas des toits plats et maintient le transfert de masse avec l'air au dessus du street-canyon.

La figure 53 montre les profils lee-ward, centre et wind-ward pour les trois cas de simulation. Dans le cas du toit wind-ward incliné, on a obtenu les mêmes profils de vitesses de cas de référence. La différence est dans la distribution des vitesses au centre de -0.35 à 0.8 (m/s). L'emplacement du toit sur l'immeuble wind-ward a détourné la direction de la vitesse, et réagit comme un obstacle ce qui réduit la vitesse d'écoulement entrant dans le street-canyon. Pour les deux cas du toit leeward incliné et les toits lee-ward et wind-ward inclinés, on remarque l'inversion des profils dans le street-canyon. L'étendue de vitesse varie entre -0.6 à 0.15 (m/s) pour le premier cas et entre -0.8 à 0.4 (m/s) pour le deuxième. Cette différence s'explique aussi par la position des toits sur l'immeuble wind-ward. L'immeuble wind-ward avec un toit incliné détourne les vitesses vers le canyon-street par contre pour l'immeuble wind-ward avec un toit plat les vitesses se déplace hors de la cavité.

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Kastner-Klein et al (1999), ont remarqué que dans les deux cas avec des toits inclinés, le vortex présent dans le cas des toits plats disparaît (Figure 30). L'écoulement se sépare au niveau du rebord du toit et la zone de recirculation, et ne pénètre pas à l'intérieur du street-canyon où une zone de stagnation peut être observée. Par conséquent, l'échange entre l'intérieur du street-canyon et la circulation urbaine de la couche limite est aussi considérablement affecté. Par contre, Barlow et Leitl en 2005 ont montré que pour le cas des toits inclinés avec un rapport d'aspect « w/h=1 », le centre de vortex a été déplacé à un haut niveau, entre les toits inclinés. Un faible écoulement a été observé au niveau du street-canyon, dont le sens opposé de l'écoulement entre les toits. Cela a indiqué la présence d'un faible contre vortex.

On peut conclure, que la géométrie du toit a une forte influence sur la ventilation du canyon. En particulier, pour des configurations des toits inclinés sur l'immeuble lee-ward. Les valeurs de concentration significativement plus élevés ont été observées au niveau du mur wind-ward du bâtiment. Dans ces cas, la concentration maximale est également passée du mur wind-ward au mur lee-ward du street-canyon, ce qui indique la disparition de la recirculation à l'intérieur et un mauvais système de ventilation.

Les résultats des différentes études expérimentales et numériques ont donc démontré, que la modification des géométries des toits a un effet non négligeable. Leurs impacts sur la formation des vortex et la dynamique de l'air est plus grande que le rapport d'aspect d'un street-canyon.