La caractérisation d’écoulements d’air intérieur est un enjeu d’importance dans un contexte social et réglementaire visant à optimiser la consommation énergétique et le confort thermique dans le bâtiment. Parallèlement, la qualité de l’air intérieur est responsable de milliers de décès dans le monde et suscite l’intérêt croissant de la communauté scientifique et des institutions ; la crise épidémique liée au virus SARS-COVID 19 souligne l’utilité des études en milieu confiné. Dans ce but, la simulation est un outil efficace pouvant reproduire de manière fiable l’écoulement considéré et de manière moins coûteuse comparée à l’expérimental. Cette thèse se focalise sur le développement d’un outil numérique pour les simulations aérauliques à l’échelle locale (computational fluid dynamics, CFD). Ce dernier a pour but d’être appliqué dans des études de milieux intérieurs allant du domaine résidentiel (aide à la maîtrise d’oeuvre, étude de la qualité d’air intérieur) à l’industriel et tertiaire (sûreté des centrales nucléaires, ventilation d’enceintes sportives).

Après avoir posé le contexte et les enjeux liés à l’aéraulique, l’identification des phénomènes physiques caractérisant les écoulements d’air intérieurs et le choix des équations à utiliser sont présentés. Ensuite, pour répondre aux enjeux de modélisation ciblés, un schéma volumes finis d’ordre 2 en temps pour les écoulements à densité variable est proposé, pour des solutions régulières et discontinues. Développé pour l’air sec tout d’abord, le schéma est implémenté dans le logiciel CFD sous licence libre code_saturne. Ce dernier rentre dans la famille des theta-schémas de type prédiction correction. Le second ordre en temps est atteint grâce à une localisation de variables décalées. De plus, l’énergie totale est conservée grâce à la résolution de l’équation de l’énergie interne complétée par un terme source dérivé de l’équation discrète de l’énergie cinétique. Enfin, la variation de pression est prise en compte en linéarisant l’équation d’état, ce qui conduit à la formulation d’une équation d’Helmholtz à résoudre pour la pression. Les termes liés à cette linéarisation sont implicités, menant à des calculs plus rapides tout en évitant toute contrainte sur le pas de temps liée aux ondes acoustiques. Après une analyse numérique menant à des nouvelles contraintes de stabilité, le schéma en temps est vérifié et validé à l’aide de cas allant de zéro à trois dimensions et du régime incompressible au compressible, représentatifs des enjeux de modélisation aérauliques. Des simulations d’écoulements turbulents (RANS, LES) sont également réalisées.

Le schéma est étendu à l’air humide avec changement de phase par des développements complémentaires. L’équilibre thermodynamique est considéré et la fraction massique d’eau totale, sous forme gazeuse et liquide, est transportée. Dans le but d’utiliser les équations choisies auparavant, le changement de phase est traité en utilisant la méthode de Newton à partir de l’énergie interne résolue. À nouveau, une analyse numérique et des vérifications sont réalisées. De nouvelles conditions CFL sont ainsi présentées.

Enfin, l’outil numérique est appliqué pour caractériser l’écoulement d’air intérieur au sein du Stade Pierre de Coubertin, dans le cadre des jeux olympiques 2024 de Paris. Le maillage numérique est créé à partir d’un nuage de points issu de mesures scanners 3D. Les premières simulations mènent à l’identification de zones d’intérêt dynamiques et thermiques et à l’élaboration d’un protocole expérimental pour une campagne de mesures. S’en suit une validation du schéma dans le but de reproduire l’évolution de la concentration de particules lors de la finale de la ligue de Handball française, lors de laquelle un pic de PM10 (fumigènes) a été mesuré.

Date et heure de la soutenance : 24/11/2022, 10h00

Lieu : salle F207, bat. Coriolis, École des Ponts et Chaussées, Cité Descartes, 8 Av. Blaise Pascal 6 et, 77420 Champs-sur-Marne

Lien teams : https://teams.microsoft.com/l/meetup-join/19%3ameeting_MGIyNGUwYTUtYWUzYi00ZDBjLWFmNTgtNjY0ZGMzNWJiZWU3%40thread.v2/0?context=%7b%22Tid%22%3a%22e242425b-70fc-44dc-9ddf-c21e304e6c80%22%2c%22Oid%22%3a%222126f368-0d15-4478-bdd1-37dc2f0e6567%22%7d

• Rapporteur : Anne Sergent – LISN,
• Rapporteur : Jean-Claude Latché – IRSN,
• Examinateur : Frédéric Kuznik – CETHIL,
• Examinateur : Patrick Le Queré – CNRS,
• Examinateur : Christian Inard – LaSIE,
• Directeur : Bertrand Carissimo – CEREA,
• Encadrant : Martin Ferrand – CEREA,
• Encadrant : Cédric Flageul – CEREA,