Dispersion atmosphérique de polluants sur un site industriel

Contexte

Pour anticiper et prévenir les risques technologiques et industriels, il est nécessaire d’évaluer les conséquences de la dispersion atmosphérique de polluants en fonction des caractéristiques de la fuite, des conditions atmosphériques et de la topologie du site, et de contenir le plus rapidement possible toute fuite.

Cependant, à l’échelle d’un site industriel, le cahier des charges est parfois complexe :

• Par l’échelle de la zone à modéliser, de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres,
• Par la multiplicité des composés pouvant être relâchées, à plusieurs points du site,
• Par les échelles de temps de détection, qui, pour la protection des zones avoisinantes, sont généralement de l’ordre de la minute,
• Par la nécessité de doubler le réseau, c’est-à-dire que chaque nuage doit être détecté par au moins 2 capteurs,
• Par le coût à l’achat et à la maintenance des capteurs, ainsi que le risque de défaillance accru lorsque le nombre de capteurs est plus important.

Objectif

Dans le cas exemple traité ici, le client prévoit initialement l’installation de 1200 capteurs afin de répondre point par point au cahier des charges. L’objectif de l’étude réalisée ici est multiple :

• Simuler précisément, en fonction des caractéristiques topographiques du site, des fuites et des conditions météorologiques, les nuages de polluants identifiés comme étant les plus critiques,
• En fonction de ces scénarios critiques, déterminer les positions optimales des capteurs afin de respecter les critères du cahier des charges tout en minimisant le nombre de ces capteurs.

Simulation et résultats

Intérêt de la modélisation CFD pour les études de dispersion atmosphérique

On distingue généralement 3 étapes principales lors des études de dispersion atmosphérique :

1. Le calcul du terme source, qui consiste à déterminer les caractéristiques et conditions de rejet : débit, vitesse, température…
2. Le calcul de dispersion atmosphérique du polluant, qui consiste à déterminer le déplacement et la concentration du nuage en fonction du terme source, du site et des conditions météorologiques.
3. Et enfin le calcul des effets sur les personnes, qui consiste à analyser les risques en fonction de la nature des polluants, de leur concentration  et des temps d’exposition.

Pour le calcul du terme source, des abaques ou des méthodes analytiques existent généralement (comme le guide Omega 19 de l’INERIS). Néanmoins, lorsque la configuration du rejet sort du cadre prédéfini des méthodes analytiques, la simulation numérique peut permettre de modéliser les propriétés caractéristiques de la fuite toxique ou inflammable (débits, pression, fraction liquide…), pour utiliser ensuite ces résultats lors de la phase suivante.

En effet, c’est principalement lorsqu’il s’agit de modéliser la dispersion atmosphérique des nuages de polluants que la simulation CFD présente des atouts majeurs. Par rapport aux modèles 1D gaussiens généralement utilisés pour ce type d’études, les outils de CFD 3D permettent de prendre en compte l’influence de la direction du vent, de la topologie du site, de la présence de bâtiments et autres obstacles à la dispersion… Ils sont particulièrement adaptés à la modélisation de dispersions atmosphériques de polluants en champ proche (< quelques kilomètres) et/ou en présence d’obstacles, de bâtiments ou d’un terrain accidenté.

Validation et optimisation

Dans le cas présent, la simulation numérique a permis de simuler l’ensemble des scénarios critiques identifiés.

Ces scénarios ont permis de générer un volume conséquent de données (x,y,z,t) contenant la position des cellules du maillage pour lesquelles la concentration est supérieure au seuil de détection, à chaque instant, pour chaque scénario.

Des méthodes d’optimisation mathématique ont ensuite été mises en œuvre, permettant de réduire le nombre de capteurs de 90% environ, tout en répondant parfaitement au cahier des charges initialement soumis.

Pour aller plus loin sur la simulation de la dispersion atmosphérique

Ces résultats ont fait l’objet d’un webinaire, présenté par OptiFluides auprès des utilisateurs ANSYS de CADFEM France, que vous pouvez retrouver ici :