Abstract FR:

La compréhension physique de la dispersion atmosphérique des gaz lourds est fondamentale pour améliorer l’évaluation et la gestion des risques liés à des rejets accidentels. La dispersion d’un gaz lourd est caractérisée par des effets de flottabilité et stratification, qui peuvent générer des conditions favorables à l’asphyxie, l’explosion et l’incendie. La proximité du milieu urbain et industriel amplifie l’impact potentiel des rejets accidentels sur les personnes et les structures alentours. Le panache d’un gaz plus dense de l’air s’étale au sol en produisant une écoulement stable et stratifié qui réduit sa dilution dans l’air. En conséquence, le valeur de seuil, relative aux conditions d’asphyxie, de toxicité, d'explosion et d'inflammabilité, peuvent être localement dépassées par des pics de concentration. 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. Les expériences sont conçues pour mettre en évidence les différences avec un rejet de scalaire passif. 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 (Chapitre 2). 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 (Chapitre 3) 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 (Chapitre 4) : 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. Les expériences en soufflerie ont montré que la trajectoire du panache de gaz lourd émis depuis une source élevée est affecté par les effets de flottabilité, alors que la dispersion turbulente n’est pas modifiée par rapport au cas d'un scalaire passif. Pour cette raison, les modèles opérationnels, précédemment validés pour un rejet du scalaire passif, reproduisent avec succès la dispersion atmosphérique d’un gaz lourd depuis une source élevée. [...]