Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Vidali Cristina

Vidali Cristina

PhD student - project CIFRE
LMFA and Air Liquide Paris Research & Development Center.
Subject : "Atmospheric heavy gas dispersion in complex environment"
Supervisor : Pietro Salizzoni & Louis Gostiaux

La compréhension physique de la dispersion atmosphérique de gaz lourds est fondamentale pour améliorer l’évaluation et la gestion des risques lié à des rejets accidentels sur des sites à géométrie complexe.
La dispersion d’un gaz lourd est caractérisée par une dilution réduite dans l’air et par une stagnation au niveau du sol, qui peut avoir de graves conséquences pour la santé et l’environnement ; il faut éviter toute condition favorable à l’asphyxie, l’explosion et l’incendie en milieu urbain et sur site industriel.
Le principal objectif scientifique du projet est d’améliorer la modélisation de la dynamique des rejets de gaz lourds au moyen d’expériences en soufflerie. En particulier, il est d’un intérêt primordial d’identifier l’influence de la stratification locale sur le mélange entre le nuage de gaz et le fluide ambiant et sur la distribution spectrale multi-échelles de l’énergie cinétique turbulente.
L’évaluation des risques lors de rejets de gaz lourds nécessite une estimation précise des intensités de fluctuation de concentration, ainsi que la prise en compte de leur interaction avec les fluctuations de vitesse. Pour cette raison, la caractérisation du panache est effectuée au moyen de un système de mesure couplé, qui permet de mesurer simultanément la concentration et la vitesse du fluide, en combinant deux techniques expérimentales, le détecteur par ionisation de flamme et l’anémomètre au fil chaud. Cette technique expérimentalement est sensible aux gradients de densité dans le panache et une procédure de calibration spécifique est établi dans le cas de gaz lourds.
Le scénario d’études a était défini en collaboration avec le partenaire industriel Air Liquide et il corresponde à l’émission depuis une grande unité de séparation d’air (ASU), qui émet du O₂ à une température de -40 °C dans la couche limite atmosphérique. Nous avons reproduit en soufflerie cette configuration à l’échelle, en générant une couche limite neutre développée sur une surface rugueuse. Les rejets de gaz lourds sont simulés expérimentalement par l’émission d’un mélange de dioxyde de carbone, d’air et d’éthane, le dernier étant utilisé comme traceur dans les mesures de concentration. Pour comparer l’expérience avec le rejet d’un scalaire passif, nous avons aussi utilisé un mélange d’air et d’éthane, dans les mêmes conditions.
L’analyse des données expérimentales est focalisée sur la caractérisation du champ de vitesse et concentration, en analysant la moyenne et les moments d’ordre supérieur ; également on a estimé les lois de distribution de la concentration, les flux turbulentes de masse, les échanges d’énergie cinétique turbulente et les temps de mélange à grande et petite échelle.
Les paramètres obtenu par l’analyse de données expérimentales sont utilisés pour la validation de deux modelés opérationnels : un modèle intégral (Ventjet, Miller et al., 2021), développé par Air Product et Air Liquide et un modèle Lagrangien (SLAM, Vendel et al., 2011), développé par l’équipe AIR de l’École Centrale de Lyon.
L’étude est complétée par l’investigation de la structure de la série temporelle de la concentration, en estimant le temps et la fréquence de dépassement de la seuil de concentration à travers un modèle analytique.