modelisation 3d une fuite d ammoniac sur le site … · rapport final pour dekra ref 1018115 6...

7, Boulevard de la Libération

93200 Saint-Denis

Tél. : 01.42.43.16.66

Fax : 01.42.43.50.33

Email : [email protected]

Web site: http://www.fluidyn.com

MODELISATION 3D DE LA DISPERSION D’UNE FUITE

D’AMMONIAC SUR LE SITE DELPIERRE DE ST AIGNAN DE

GRAND-LIEU

Rapport final de modélisation

Client DEKRA Industrial S.A.S.

Représentant Sarah PASQUIER

Adresse Pôle QSSE Ouest

ZIL Rue de la Maison Neuve - BP

70413

44819 - SAINT HERBLAIN CEDEX

Référence FLUIDYN 1018115

Nombre de pages 45

Version Date Pages modifiées Rédaction Vérification

2.0 18/10/2018 -- Liying CHEN Amita TRIPATHI

Modélisation 3D de la dispersion atmosphérique

d’une fuite d’ammoniac sur le site DELPIERRE

Rapport final pour DEKRA ref 1018115

1

TABLE DES MATIERES

RESUME NON TECHNIQUE 6

MATRICE DE CONFORMITE AU GUIDE DES BONNES PRATIQUES 7

I. INTRODUCTION 8

I.1. CONTEXTE 8

I.2. DESCRIPTION DU SCENARIO RETENU 8

I.3. OUTIL NUMERIQUE FLUIDYN-PANACHE 8

II. DESCRIPTION DU MODELE PHYSIQUE 11

II.1. DOMAINE ET OBSTACLES 11

II.2. CARACTERISTIQUES DE REJET 13

II.3. CONDITIONS METEOROLOGIQUES 15

II.3.1. DEFINITION DES SITUATIONS METEOROLOGIQUES 15

II.3.2. PROFIL DE VENT 15

II.3.3. MAINTIEN DE PROFILS 16

III. MODELE NUMERIQUE 16

III.1. MAILLAGE DE REFERENCE 16

III.2. CONDITIONS LIMITES 20

III.3. PARAMETRES NUMERIQUES 22

III.4. SEUILS TOXICOLOGIQUES 23

III.5. CHAMPS DE VENT 24

IV. RESULTATS DES DISPERSIONS 28

IV.1. ZONES D’IMPACT EN CONDITION METEOROLOGIQUE F3 28

IV.1. ZONES D’IMPACT EN CONDITION METEOROLOGIQUE D5 30

IV.2. DISTANCES AUX SEUILS 34

V. CONCLUSION 36

ANNEXES 37

REFERENCES 37




2

ANNEXE I: VALIDATION 38

A. CAS DE VALIDATION DE FLUIDYN PANACHE 38

B. VALIDATIONS EN SOUFFLERIE 38

C. VALIDATION A ECHELLE REELLE 38

ANNEXE II: TERME SOURCE 39

ANNEXE III: PROFIL DE VENT 40

A. PROFIL DE VITESSE 40

B. PROFIL DE TEMPERATURE 40

C. PROFIL TURBULENT 41

ANNEXE V : MAINTIEN DES PROFILS 42

INDEPENDENCE AU MAILLAGE 44

A. INTRODUCTION 44

B. DESCRIPTION DU MAILLAGE 44

C. COMPARAISON ET DISCUSSION 46

ANNEXE VI : MAILLAGE AUTOUR DES BATIMENTS 47




3

LISTE DES ILLUSTRATIONS

Figure 1 : Domaine de simulation ........................................................................................................... 0

Figure 2 : Vue aérienne des bâtiments.................................................................................................. 12

Figure 3 : Bâtiments en 3D .................................................................................................................... 13

Figure 4 : Localisation de fuite sur fond de vue aérienne ..................................................................... 14

Figure 5 : Evolution de concentration NH3 en sorite de la cheminée ................................................... 15

Figure 6 : Maillage 3D sur l’ensemble du domaine............................................................................... 17

Figure 7 : Maillage vertical .................................................................................................................... 17

Figure 8 : Visualisation de la raison géométrique entre les mailles...................................................... 18

Figure 9 : Visualisation du facteur de forme dans la zone d’intérêt ..................................................... 18

Figure 10 : Maillage vertical et horizontal à l’emplacement de la source ............................................ 19

Figure 11 : Maillage autour des bâtiments. .......................................................................................... 20

Figure 12 : Conditions limites du domaine (Vent 260°N)...................................................................... 22

Figure 13 : Vecteurs vitesse à une hauteur de 4.5 m autour du site - F3 -260°N ................................. 24

Figure 14 : Vecteurs vitesse au niveau de source - F3 -260°N .............................................................. 25

Figure 15 : Vecteurs vitesse à une hauteur de 4.5 m autour du site - D5 -260°N................................. 26

Figure 16 : Vecteurs vitesse au niveau de source - D5 - 260°N............................................................. 27

Figure 17 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à hauteur d’homme – F3 ... 28

Figure 18 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 6 m – F3........................... 29

Figure 19 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 8 m– F3............................ 29

Figure 20 : Contours des doses toxiques d’NH3 en SEI à hauteur d’homme pour 1 h d’émission........ 30

Figure 21 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à hauteur d’homme – D5... 31

Figure 22 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 6 m – D5 .......................... 31

Figure 23 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 8 m – D5 .......................... 32

Figure 24 : Contours des doses toxiques d’NH3 à hauteur d’homme pour 1 h d’émission – D5 .......... 33

Figure 25 : Contours des doses toxiques d’NH3 en SEL à hauteur d’homme pour 1 h d’émission – D5

............................................................................................................................................................... 34

Figure 26 : Evolution des profils verticaux de vitesse en condition F3 sur terrain plat avec fluidyn-

PANACHE ............................................................................................................................................... 42

Figure 27 : Evolution des profils verticaux de viscosité en condition F3 sur terrain plat avec fluidyn-

PANACHE ............................................................................................................................................... 43

Figure 28 : Visualisation du maillage grossier au niveau de la source .................................................. 45

Figure 29 : Visualisation du maillage référence au niveau de la source ............................................... 45

Figure 30 : Visualisation du maillage plus fin au niveau de la source ................................................... 46

Figure 31 : Maillage autour des bâtiments ........................................................................................... 47




4




5

LISTE DES TABLES

Table 1: Caractéristiques de l’outil numérique Fluidyn-PANACHE ....................................................... 10

Table 2 : Paramètres du terme source.................................................................................................. 14

Table 3 : Conditions météorologiques retenues ................................................................................... 15

Table 4 : Détails du maillage de référence dans la zone d’intérêt ........................................................ 17

Table 5: Définitions des conditions limites du domaine ....................................................................... 21

Table 6 : Valeurs de référence relatives aux seuils d’effets toxiques pour le NH3................................ 23

Table 7 : Paramètres de la loi de probit et doses de toxicité aigüe pour le NH3................................... 23

Table 8 : Zones des effets toxiques – F3................................................................................................ 35

Table 9 : Zones des effets toxiques – D5............................................................................................... 35

Table 10 : Paramètres du terme source................................................................................................ 39

Table 11 : Détails des trois maillages dans la zone d’intérêt ................................................................ 44

Table 12 : Comparaison des distances toxiques entre trois maillages.................................................. 46




6

RESUME NON TECHNIQUE

Ce résumé non technique présente une synthèse de modélisation 3D réalisée avec le logiciel

3D-CFD Fluidyn-PANACHE. Le scénario modélisé correspond à la dispersion d’une fuite

accidentelle d’ammoniac sur le site de DELPIERRE à St Aignan de Grand-Lieu.

La méthodologie suivie pour l’étude est principalement basée sur le Guide de bonnes

pratiques pour la réalisation de modélisations 3D pour des scénarios de dispersion

atmosphérique en situation accidentelle publié par l’INERIS en janvier 2017. Les choix de

modélisation, les hypothèses de terme source et les résultats de la dispersion sont décrits

dans les différents chapitres et annexes.

Les résultats de la simulation indiquent que :

• Pour la condition météorologique F3, aucun seuil toxique n’atteint à hauteur

d’homme ni à 6 et 8m pour des expositions de 1h aux vapeurs émises.

• La condition météorologique D5 met en évidence des dépassements du SEI, SEL et

SELs hors du site à hauteur d’homme et à la hauteur de 6 et 8m pour des expositions

de 1h aux vapeurs émises. La distance SEI maximale simulée est de 315 m à hauteur

d’homme.




7

MATRICE DE CONFORMITE AU GUIDE DES BONNES PRATIQUES

Bonne pratique Conformité

(Oui/Non/Non Applicable) Page de la justification

BP_validation Oui Outil numérique p.7

Annexe I

BP_maintien de profils Oui

Conditions météorologiques

p. 16

Annexe V

BP_indépendance Oui Maillage p. 21

Annexe IV

BP_maillage bâtiments Oui Maillage p. 21

Annexe VI

BP_facteur de forme Oui Maillage p. 19

BP_maillage et vent N/A pour un maillage non-structuré -

BP_schéma numérique Oui Outil numérique p.7

BP_évolution maillage Oui Maillage p. 19

BP_profil de vent Oui

Conditions météorologiques

p.16

Annexe III

BP_éloignement CL Oui Domaine, obstacles et

topographie p.11

BP_terme source Oui

Paramètres de l’émission

p.15

Annexe II

BP_champ de vent Oui Champ de vent p.26

Annexe II

BP_pas temps émission N/A -

BP_nombre de particules N/A -

BP-Sc-Pr Oui Outil numérique p.9

BP-Turb Atmo Oui Outil numérique p.9




8

I. INTRODUCTION

I.1. CONTEXTE

Dans le cadre d’une demande complémentaire de la DREAL suite à une étude de dangers

réalisée par DEKRA industrial SAS pour le site DELPIERRE à St Aignan de Grand-Lieu, Fluidyn

est consulté pour la modélisation en 3D des effets toxiques induits par la fuite d’ammoniac

sur le site.

FLUIDYN utilise le logiciel fluidyn-PANACHE, outil dédié aux modélisations de dispersions

atmosphériques et exploitant la CFD pour les vents, la turbulence et la dispersion transitoire

accidentelle.

L’étude s’appuie sur le guide des bonnes pratiques pour la modélisation 3D de la dispersion

accidentelle (Guide GT3D – Janvier 2017) auquel les ingénieurs de FLUIDYN ont participé en

apportant leur expertise.

I.2. DESCRIPTION DU SCENARIO RETENU

Le scénario retenu est la fuite sur la section BP liquide dans les combles DELPIERRE. En raison

de l’absence d’extracteur et de ventilation naturelle dans les combles, il est considéré de

façon majorante que la porte menant de la salle des machines vers les combles n’est pas

étanche. L’ammoniac s’échapperait des combles vers la salle des machines. Ensuite, la fuite

d’ammoniac serait rejetée par l’extracteur de la salle des machines.

Pour ce sénario d’émission, deux conditions météorologiques (F3 – D5) sont modélisées pour

un vent dominent de direction 260°N portant vers le bâtiment voisin Pierre Le Golf.

I.3. OUTIL NUMERIQUE FLUIDYN-PANACHE

La société FLUIDYN France, spécialisée dans les outils de modélisation numérique en

pollution atmosphérique, a utilisé le logiciel fluidyn-PANACHE développé par TRANSOFT

International pour réaliser l’ensemble des simulations de cette étude.

Ce logiciel de mécanique des fluides (Computational Fluid Dynamics CFD) est dédié à la

modélisation de la dispersion atmosphérique des polluants gazeux et particulaires. Il utilise,

pour simuler l’évolution temporelle d’un panache de polluants, la résolution

tridimensionnelle (spatiale) des équations de Navier-Stokes avec une méthodologie RANS de

la mécanique des fluides appliquées sur un maillage curviligne tenant compte du terrain et

des obstacles.

Fluidyn-PANACHE simule la dispersion des polluants à l’aide de la résolution

tridimensionnelle des équations de la mécanique des fluides. Il résout successivement :




9

• la conservation de la masse ;

• la conservation de la quantité de mouvement ;

• la conservation de l’énergie ;

• la turbulence atmosphérique.

Cette résolution s’effectue sur un maillage dit ‘curviligne’ qui a la particularité d’épouser les

dénivellations du relief afin de prendre en compte ses effets sur la dispersion.

Par ailleurs, la rugosité du terrain, effet des modes d’occupation des sols sur le champ de

vent, est aussi modélisée en fonction des zones traversées (forêt, zone urbaine, terrain nu,

etc.). Elle a essentiellement pour conséquence de ralentir par frottement le vent au niveau

et au-dessus du sol.

Enfin, fluidyn-PANACHE est doté d’un modèle de turbulence atmosphérique élaboré, de type

2-équations k-ε. Il est basé sur le calcul du flux de chaleur sensible dégagé dans l’atmosphère

qui déterminera la structure verticale de la couche limite atmosphérique. Le flux de chaleur

sensible issu d’un bilan énergétique entre le flux solaire rayonné, le flux de chaleur dégagé

par l’activité humaine et le flux absorbé ou restitué par le sol est un critère objectif de la

stabilité atmosphérique (équivalente aux classes de Pasquill).

Fluidyn-PANACHE a fait partie des outils utilisés lors de l’établissement du Guide des Bonnes

Pratiques de l’INERIS. Un dossier de validation complet est disponible sur demande auprès

de FLUIDYN France. Les cas spécifiques au cas de calcul présenté sont détaillés en Annexe I.




10

Table 1: Caractéristiques de l’outil numérique Fluidyn-PANACHE

Logiciel et version Fluidyn-PANACHE v41

Résolution CFD - RANS

Schéma numérique NT

Ordre du schéma numérique en espace TVD (2nd ordre)

Ordre du schéma numérique en temps TVD (2nd ordre)

BP_schéma

numérique

Modèle de turbulence k-epsilon realizable BP_Turb_Atmo

Nombre de Schmidt – Sc 0.7 BP Sc_Pr

Nombre de Prandtl – Pr 0.7 BP Sc_Pr

Validation Cahier de validation BP_validation

Modélisateur Liying CHEN




11

II. DESCRIPTION DU MODELE PHYSIQUE

II.1. DOMAINE ET OBSTACLES Le modèle est une représentation numérique de la réalité du site et de son environnement

afin de permettre au logiciel d’effectuer la simulation en fonction des éléments présents. Il

comprend des éléments de terrain (topographie, obstacles, occupation des sols), les

conditions météorologiques en limite du domaine de calcul et les sources d’émission.

Le modèle de terrain a été mis en place sur une étendue d'environ 1 040 000 m² (1300 m x

800 m), afin d’intégrer le site DELPIERRRE avec les bâtiments voisins et des conditions aux

limites suffisamment éloignées en fonction de la direction de vent.

La hauteur du domaine de calcul a été fixée à 100 m pour s’assurer qu’il n’y a pas de flux de

masse sortant dans la limite supérieure du domaine.

Une rugosité moyenne de 0.17 m est appliquée dans l’ensemble du domaine. Elle représente

l’influence moyenne des différents obstacles présents dans le domaine d’étude (habitations,

sites industriels, …).

La figure suivante présente le domaine d’étude, ainsi que des éléments intégrés au modèle

numérique et influençant les écoulements. Les obstacles (en gris) représentent les bâtiments

sur le site DELPIERRE et sur les sites voisins.

Figure 1 : Domaine de simulation

800 m

1300 m

830 m

350 m

150 m

120 m

Direction de vent: 260°N




12

Les conditions aux limites du domaine se trouvent à plus de 120 m des premiers bâtiments

quelle que soit la direction de vent modélisée soit plus de 10 fois la hauteur maximale des

obstacles sur le site DELPIERRE et les bâtiments voisins.

La hauteur du domaine est de 100 m soit plus de 5 fois la hauteur maximale des obstacles

sur le site.

BP_éloignement CL

La distance entre les obstacles et la sortie du domaine est de plus de 10 fois la hauteur maximale des

obstacles.

La distance entre les obstacles et les autres faces du domaine est de plus de 5 fois la hauteur

maximale des obstacles.

Figure 2 : Vue aérienne des bâtiments

QSA

Pierre LeGoff

Brossette

DELPIERRE




13

Figure 3 : Bâtiments en 3D

II.2. CARACTÉRISTIQUES DE REJET

La source d’émission se trouve dans la salle des machines, l’émission se fait par l’extracteur

au niveau de toit de la salle. La localisation de fuite d’ammoniac en sortie de la cheminée se

trouve sur la figure suivante :

Bâtiments

(volume 3D)

Direction de vent : 260°N




14

Figure 4 : Localisation de fuite sur fond de vue aérienne

Les paramètres des émissions ci-dessous sont fournis par le client (cf. Rapport de DEKRA

industrial SAS : DELPIERRE_EDD NH3_scénario 2B). Il s’agit d’une dispersion transitoire d’un

mélange d’ammoniac et d’air.

Table 2 : Paramètres du terme source

Caractéristique de la fuite sortant du local

Nature du rejet Rejet vertical gazeux

Débit d’extraction total (kg/s) 19.99 (air+NH3)

Concentration en ammoniac Voir la concentration courbe ci-dessous

Vitesse de fuite en sortie de cheminée (m/s) 4.3

Température finale du rejet en sortie de

cheminée (°C)

10

Hauteur de rejet (m) 4.5

Durée de la fuite en sortie de cheminée (s) 3600

L’évolution de la concentration en ammoniac à la sortie de la cheminée est présentée sue la

figure suivante :

Localisation

de fuite




15

Figure 5 : Evolution de concentration NH3 en sorite de la cheminée

BP-Terme Source

L’émission accidentelle a été modélisée par une source ponctuelle transitoire. Le détail de la prise en

compte de ce terme source est disponible en Annexe II.

II.3. CONDITIONS MÉTÉOROLOGIQUES

II.3.1. DEFINITION DES SITUATIONS METEOROLOGIQUES

Dans le cadre de cette étude, deux conditions météorologiques (F3 – D5) sont retenu pour

un vent de direction 260°N portant vers le bâtiment voisin Pierre Le Golf.

Table 3 : Conditions météorologiques retenues

Condition de vent Stabilité atmosphérique Vitesse (m/s) Direction (°N)

F 3 260

D 5 260

II.3.2. PROFIL DE VENT

La représentation détaillée de la CLA (Couche Limite Atmosphérique) est extrêmement

complexe. Aussi, il est important de recentrer cette représentation sur les objectifs de

modélisation. De ce fait, les phénomènes complexes intervenant dans la partie supérieure

de la CLA n’ont, généralement, que peu d’influence sur les résultats de ces simulations. Ainsi,




16

il est possible de proposer une représentation simplifiée de la CLA afin de prendre en

compte les phénomènes influant sur la dispersion sans pénaliser les simulations par

l’introduction de phénomènes météorologiques extérieurs.

Dans les cas étudiés, le profil de vitesse et température de vent sont classiquement

représentés sous la logarithmique avec correction selon la stabilité, fondé par la théorie de

la similarité Monin-Obukhov. Le profil turbulent a été défini selon Han and Arya [1]. Les

détails sont fournis en Annexe III.

BP-Profil de vent

Les profils verticaux sont calculés sur la base de profils proches de ceux définis dans le GBP. Les détails

sont fournis en Annexe III.

En effet, dans la version du guide actuelle, les profils présentés notamment en condition stable ne

sont pas applicables. Des discussions sont en cours au sein du GT afin de compléter les informations

manquantes et de corriger les différentes erreurs du GBP.

II.3.3. MAINTIEN DE PROFILS

La turbulence en aval des obstacles est prédite localement par le modèle de turbulence. La

turbulence atmosphérique est fixée par la classe de stabilité au travers des profils entrants.

À ce titre, et conformément au GBP, il convient de s’assurer que ces profils sont

correctement transportés dans le domaine de calcul. En effet, si les obstacles pilotent très

certainement le mélange dans leur proximité immédiate, la turbulence atmosphérique reste

le vecteur de mélange principal en dehors de la zone d’influence des obstacles.

Le maintien des profils pour notre outil Fluidyn-PANACHE est vérifié en Annexe V.

BP-Maintien de profils

Le maintien des profils est vérifié en Annexe V.

III. MODELE NUMERIQUE

III.1. MAILLAGE DE REFERENCE

Une fois le modèle de terrain, les sources de produits toxiques et les conditions

météorologiques définis, un maillage tridimensionnel est construit. Il est de type wedge non-

structuré (hexaèdres) et curviligne (épousant étroitement le relief), capturant les objets 3D

et raffiné au niveau des sources où une grande précision est nécessaire.

La Figure 6 donne une représentation du maillage en vue 3D sur l’ensemble du domaine. Ce

dernier est constitué de 810 080 cellules réparties en 25 315 mailles par plan horizontal sur

32 couches verticales.




17

Table 4 : Détails du maillage de référence dans la zone d’intérêt

Nombre de cellules Taille maximale de maille Taille minimale de maille

810 080 18 m 0.5 m

Figure 6 : Maillage 3D sur l’ensemble du domaine

BP-Maillage et vent

Pour un maillage non-structuré, non-applicable

Figure 7 : Maillage vertical




18

Figure 8 : Visualisation de la raison géométrique entre les mailles

Figure 9 : Visualisation du facteur de forme dans la zone d’intérêt




19

BP-Evolution maillage

La raison géométrique est inférieure à 1.2 dans la zone d’intérêt (Figure 8)

Le maillage est raffiné près du sol pour décrire correctement la loi de paroi utilisée (Figure9, 10)

BP-Facteur de forme

Le facteur de forme est inférieur à 10 dans la zone d’intérêt (Figure 9).

La figure suivante présente la résolution du maillage 3D au niveau de la source.

Figure 10 : Maillage vertical et horizontal à l’emplacement de la source

La figure suivante présente le maillage au niveau des bâtiments.




20

Figure 11 : Maillage autour des bâtiments.

BP-maillage bâtiments

Le nombre de maille par façade de bâtiment de grandes dimensions est au minimum de 10. Pour les

bâtiments de petites dimensions, le nombre de maille peut être limité tout en préservant une bonne

précision de calcul.

La justification technique de cette approche est liée à la vérification de la bonne prise en compte des

bâtiments sur les bases décrites par le GBP, située en annexe VI de ce rapport.

BP-indépendance

Deux maillages de tailles respectives 0,8 et 1,2 fois le maillage de référence proposé ici ont été testés.

Les résultats permettent de vérifier l’indépendance maillage – résultats à 10% des résultats de

référence. Les résultats de ces tests sont présentés en Annexe IV.

III.2. CONDITIONS LIMITES

Il est nécessaire de définir les conditions limites du domaine. Ces conditions limite peuvent

être classées en quatre types : Entrée, Sortie, Haut et Parois. Le tableau suivant présente les

détails de ces conditions.

Le haut du domaine est toujours traité comme type ‘Sortie’. Les limites latérales du domaine

sont considérées comme les types ‘Entrée’ et ‘Sortie’ en fonction de la direction de vent par

rapport aux limites du domaine.




21

Table 5: Définitions des conditions limites du domaine

Type Définition Variables définies

Variables Extrapolées

Entrée Flux d’air

entrant

dans le

domaine

U (vitesse), ym

(fraction

massique), T

(Température),

k (Énergie

Cinétique

Turbulente), ε

(Dissipation

turbulente)

P (Pression)

Sortie Flux d’air

sortant du

le

domaine

P (Pression) U (vitesse), ym

(fraction

massique), T

(Température),

k (Énergie

Cinétique

Turbulente), ε

(Dissipation

turbulente)

Parois Sol et

surface

des

obstacles

U (Vitesse), ε

(Dissipation

turbulente)

ym (fraction

massique), T

(Température),

k (Énergie

Cinétique

Turbulente, P

(Pression)

La figure suivante indique les conditions limites du domaine pour un vent du Sud-Ouest

(260°N).




22

Figure 12 : Conditions limites du domaine (Vent 260°N)

III.3. PARAMÈTRES NUMÉRIQUES

Le modèle retenu pour les simulations de dispersion est de type compressible. En effet, le

gaz émis (NH3) est léger, il est donc nécessaire d’évaluer le comportement du gaz

notamment au niveau de la source.

BP-Champs de vent

Si le gaz est léger ou lourd ou si la vitesse de jet est supérieure à 5 fois la vitesse de vent, alors les

effets de la source sont pris en compte

Le modèle de turbulence retenu dans cette modélisation est de type Realizable k-eps.

Un schéma numérique TVD implicite du deuxième ordre a été utilisé à la fois pour le calcul

des champs de vent et de la dispersion.

Dans un premier temps, le champ de vent a été calculé en stationnaire en l'absence

d'émission. La convergence a été considérée comme atteinte lorsque les résidus ont chuté

en dessous de 10-4

pour tous les paramètres.

Ensuite, les simulations de dispersion ont été effectuées en mode transitoire. Un pas de

temps constant de 1 s a été considéré pendant les 20 premières minutes des simulations. Le

champ de vent a également été résolu lors du calcul de dispersion afin de prendre en

compte les perturbations locales du vent et le comportement du gaz dense. En raison des

Entrée

Direction de vent :260°N

Sortie




23

débits massiques d’émission limités seul le calcul de dispersion a été mené sur un champ de

vent figé afin de limiter le temps de calcul.

III.4. SEUILS TOXICOLOGIQUES

Le composé toxique considéré est l’ammoniac, le tableau définis par l’INERIS présente les

seuils de toxicité associés.

Table 6 : Valeurs de référence relatives aux seuils d’effets toxiques pour le NH3

Durée d’exposition

Effet 1 min 3 min 10 min 20 min 30 min 60 min

SELS (en ppm) 28 033 ND 8 833 6 267 5 133 3 633

SEL (en ppm) 25 300 14 700 8 200 5 833 4 767 3 400

SEI (en ppm) 1 500 1 000 866 612 500 354

L’effet toxique est mesuré en terme de dose, c’est-à-dire en fonction d’une concentration

pour un durée d’exposition particulière.

Pour un type d’effet donné, la dose de référence s’exprime selon la loi de Haber :

D= Cn

t

Avec :

D : dose de référence (exprimée par exemple en ppmn.min)

C : concentration (exprimée par exemple en ppm)

t : temps d’exposition (exprimé par exemple en minutes)

n : indice ou exposant d’iso toxicité

A partir des données INERIS, l’indice d’iso toxicité et les doses de référence à retenir sont

calculées par application de la loi de Haber. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-

dessous :

Table 7 : Paramètres de la loi de probit et doses de toxicité aigüe pour le NH3

Effet n Seuil (ppmn.min)

SELs (CL5%) 2.00 7.83E+08

SEL (CL1%) 2.04 9.63E+08

SEI 3.01 4.12E+09




24

III.5. CHAMPS DE VENT

Les écoulements atmosphériques sont calculés pour chaque condition météorologique

retenue.

Les images suivantes présentent des résultats de champ de vent à une hauteur de 4.5 m

autour du site et au niveau des sources pour les conditions météorologiques F3 et D5.

Figure 13 : Vecteurs vitesse à une hauteur de 4.5 m autour du site - F3 -260°N




25

Figure 14 : Vecteurs vitesse au niveau de source - F3 -260°N




26

Figure 15 : Vecteurs vitesse à une hauteur de 4.5 m autour du site - D5 -260°N




27

Figure 16 : Vecteurs vitesse au niveau de source - D5 - 260°N




28

IV. RESULTATS DES DISPERSIONS

Les dispersions de polluant sont effectuées en prenant en compte les conditions

météorologiques F3 et D5 avec une direction de vent de 260°N. Les conditions aux limites

sont maintenues constantes en vitesse et en direction.

Les résultats de modélisation avec Fluidyn-Panache permettent d’identifier les distances

d’effets pour les différents seuils de toxicité à une hauteur:

• de 1 m (correspondant à la hauteur moyenne humaine),

• et de 6 et 8 m (correspondant à la hauteur des bâtiments autour).

IV.1. ZONES D’IMPACT EN CONDITION METEOROLOGIQUE F3

Les images suivantes présentent les zones d’impact des effets toxiques en SEI pour la

condition météorologique F3.

Figure 17 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à hauteur d’homme – F3




29

Figure 18 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 6 m – F3

Figure 19 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 8 m– F3




30

Figure 20 : Contours des doses toxiques d’NH3 en SEI à hauteur d’homme pour 1 h d’émission

Pour la condition météorologique F3, les résultats de simulation montrent que le panache

d’ammoniac s’élève dès la sortie de la cheminée et aucun seuil toxique n’est atteint aux

hauteurs considérées - à hauteur d’homme, à 6 et à 8 m de haut.

IV.1. ZONES D’IMPACT EN CONDITION METEOROLOGIQUE D5

Les images suivantes présentent les zones d’impact des effets toxiques en SEI, SEL et SEls

pour la condition météorologique D5.




31

Figure 21 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à hauteur d’homme – D5

Figure 22 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 6 m – D5




32

Figure 23 : Contours de concentration d’NH3 en SEI à 20 min (612 ppm) à 8 m – D5




33

Seuils toxiques

SELs

SEL

SEI

Figure 24 : Contours des doses toxiques d’NH3 à hauteur d’homme pour 1 h d’émission – D5




34

Figure 25 : Contours des doses toxiques d’NH3 en SEL à hauteur d’homme pour 1 h d’émission – D5

Pour la condition météorologique D5, les résultats de simulation montrent que la dispersion

d’ammoniac est bloquée par le bâtiment Pierre Le Goff et une partie de panache contourne

ce bâtiment vers l’est. A hauteur d’homme, les dépassements des seuils SEI, SEL et SELS sont

constatés hors du site.

Par ailleurs, les seuils SEI, SEL et SELS sont aussi dépassés hors des limites du site à 6 et à 8 m

de haut.

IV.2. DISTANCES AUX SEUILS

Les tableaux suivants présentent les résultats sous forme tabulaire issus des modélisations

Fluidyn-Panache. Les résultats sont donnés en termes de distances aux seuils de doses

équivalentes aux SEI, SEL et SELS depuis la cheminée de la salle des machines.




35

Table 8 : Zones des effets toxiques – F3

Distance maximale Seuil Dose

Hauteur de 1m Hauteur de 6m Hauteur de 8m

SEI (m) 4.12E+09

Ppm3.01.min

N/A N/A N/A

SEL 1% (m) 9.63E+08

Ppm2.04.min

N/A N/A N/A

SELS 5% (m) 7.83E+08

Ppm2.min

N/A N/A N/A

Table 9 : Zones des effets toxiques – D5

Distance maximale Seuil Dose

Hauteur de 1m Hauteur de 6m Hauteur de 8m

SEI (m) 4.12E+09

Ppm3.01.min 315 294 276

SEL 1% (m) 9.63E+08

Ppm2.04.min 62 57 58

SELS 5% (m) 7.83E+08

Ppm2.min 57 57 45




36

V. CONCLUSION

L’outil logiciel 3D-CFD Fluidyn - PANACHE a été utilisé pour les simulations numériques et

l’évaluation des zones d’effets toxiques irréversibles et létaux en cas de fuite d’ammoniac

sur le site DELPIERRE à St Aignan de Grand-Lieu.

La méthodologie employée pour la simulation de la dispersion accidentelle est basée

principalement sur le Guide de bonnes pratiques pour la réalisation de modélisations 3D pour

des scénarios de dispersion atmosphérique en situation accidentelle publié par l’INERIS en

Janvier 2017.

Le scénario accidentel étudié est la fuite sur la section BP liquide dans les combles

DELPIERRE. L’ammoniac s’échapperait vers l’extérieur du bâtiment par l’extraction de

cheminée située au toit de la salle des machines.

Les résultats de la simulation indiquent que :

• Pour la condition météorologique F3, aucun seuil toxique n’atteint à hauteur

d’homme ni à 6 et 8m pour des expositions de 1h aux vapeurs émises.

• La condition météorologique D5 met en évidence des dépassements du SEI, SEL et

SELs hors du site à hauteur d’homme, à 6 et à 8m de haut pour des expositions de 1h

aux vapeurs émises. La distance SEI maximale simulée est de 315 m à hauteur

d’homme.




37

ANNEXES

Bonne pratique Annexe

BP_validation Annexe I

BP_terme source Annexe II

BP_profil de vent Annexe III

BP_indépendance Annexe IV

BP_maintien de profils Annexe V

BP_maillage bâtiments Annexe VI

REFERENCES

[1] J. Han, S.P. Arya, S. Shen, Y.L Lin, An Estimation of Turbulent Kinetic Energy and Energy

Dissipation Rate Based on Atmospheric Boundary Layer Similarity Theory. Tech. Rep. 23681-

2199 NASA/CR-2000-210298 (2008)




38

ANNEXE I: VALIDATION

A. CAS DE VALIDATION DE FLUIDYN PANACHE

Les cas de validation de Fluidyn-PANACHE jugés pertinents au regard des caractéristiques

des scénarios étudiés sur le site DELPIERRE sont présentés dans le tableau suivant.

Cas Numéro d’essai

Soufflerie (S) ou Echelle réelle (ER)

Stabilité atmosphérique

Substance Dispersion sur eau (E) ou terrain (T)

Coyote 3

5

6

ER B-C

C-D

D

LNG T

Porton down 21

26

29

ER B-C

B

C

CCl2F2 T

MUST 1 à 20 ER D, F C3H6 T

EMU A1

C1

S D

D

C2H4 T

BA-TNO TUV01

TUV02

FLS

S D

D

D

LNG (Gaz

Naturel

Liquéfié)

T

B. VALIDATIONS EN SOUFFLERIE

Si les expérimentations en soufflerie ne sont qu’un modèle de la réalité, elles ont pour

intérêt majeur de permettre la réalisation de mesures bien plus précises que les essais à

échelle réelle. De ce fait, la comparaison des résultats de simulation avec un minimum de

deux configurations étudiées en soufflerie est requise. Le choix des cas de validation est

décrit dans le guide de bonnes pratiques. Les 3 cas de validation proposés sont les suivants :

• un écoulement en présence d’obstacles – Projet EMU, Cas A1 et C1,

• un écoulement autour de relief – Projet EMU, Cas C1,

• un écoulement de gaz dense en configuration de vent neutre ou stable – Cas BA-TNO.

C. VALIDATION A ECHELLE REELLE

Pour les configurations à échelle réelle, la validation est réalisée sur la base des critères

statistiques habituellement définis.

Les comparaisons sont axées sur les cas les plus proches de la situation accidentelle

modélisée et l’objectif recherché. Les 3 cas de validation proposés dans le cadre de l’étude

sont les suivants :

• un écoulement en présence d’obstacles – L’expérience MUST,

• un écoulement de gaz dense en configuration de vent neutre ou stable – Cas Coyote

et Porton down.




39

ANNEXE II: TERME SOURCE

Le produit dispersé est d’un mélange d’ammoniac (NH3) et d’air relâché depuis la salle de

machine, les propriétés physiques d’ammoniac sont récapitulées ci-dessous :

• Masse molaire : 17.031 g/mol,

• T° ébullition : -33.34°C,

• Point de fusion : -77.73°C.

Le gaz produit provient de l’extracteur d’air situé sur le toit de la salle des machines

(présentée en chapitre II.2.1). L’émission du mélange gazeux est modélisée par une source

ponctuelle transitoire située au niveau de toit de la salle des machines. Le débit massique,

température d’émission, durée d’émission et composition d’espèces ont été considérés

comme les données d’entrée du terme source pour la simulation. Les spécificités de la

source sont présentées dans le tableau ci-dessous.

Table 10 : Paramètres du terme source

Source parameter Source

Type de source Point

Debit massique (kg/sec) 19.99

Température d’émission (°C) 10

Vitesse d’émission (m/s) 4.3

Composition NH3+air

Fraction massique (%) Transitoire

Hauteur d’émission (m) 4.5

Durée d’émission (sec) 3600




40

ANNEXE III: PROFIL DE VENT

La condition météorologique F2 (classe de stabilité et intensité du vent en m/s à 10m au-

dessus du sol) qui doit être étudiée couvre en réalité une grande variété d’états de

l'atmosphère.

Les profils utilisés dans l’étude sont définis par la longueur de Monin - Obhukhov ou Lmon

(telle que décrite par la théorie MOST).

A. PROFIL DE VITESSE

Le profil Log law est sélectionné pour définir le profil de vitesse à l’entrée du domaine. Il est

donné par la théorie similaire de Monin – Obhukhov :

( ) ( )00

u*U(z) = ln ζ ζ

κ

− Ψ + Ψ

m m

zz

(1)

avec : u* = la vitesse de frottement

κ = la constant de von Karman, 0.41

z0 = la hauteur de rugosité

ζ = z/L

ζ0 = z0/L

Ψ = les corrections de stabilité

L = la longeur de Monin-Obukhov

B. PROFIL DE TEMPERATURE

La température potentielle à la hauteur z est donnée par :

( ) ( )*( ) ( ) ln

θθ θ σ ζ ζκ

= + − Ψ + Ψ

r h h h rr

zz z

z

(2)

avec : θ* = -q0/u*, l’échelle de température

q0 = Qh/(ρCp)

Qh = flux de chaleur sensible au sol

zr = l’altitude de référence (anémomètre)




41

ζr = zr/L

C. PROFIL TURBULENT

Les profils de turbulence selon Han et Arya [1] sont déterminés comme suit (Modèle Han-

Arya Semi-empirique) :

En régime stable/neutre :

1.75

2

1.53

6 * 1

*1.24 4.3 1 0.85ε

κ

= −

= + −

i

i

zk u

z

u z zz L z

(3)




42

ANNEXE V : MAINTIEN DES PROFILS

Le maintien des profils sur 2 km en terrain plat pour l’approche numérique employée dans

Fluidyn-PANACHE est présenté ci-dessous. Le modèle de turbulence retenu pour ce maintien

des profils est de type k-eps Réalizable.

Figure 26 : Evolution des profils verticaux de vitesse en condition F3 sur terrain plat avec fluidyn-PANACHE




43

Figure 27 : Evolution des profils verticaux de viscosité en condition F3 sur terrain plat avec fluidyn-PANACHE




44

INDEPENDENCE AU MAILLAGE

A. INTRODUCTION

Comme indiqué précédemment, la résolution numérique des équations de la mécanique des

Fluides nécessite de découper le domaine de calcul en éléments volumiques unitaires, les

mailles. La bonne réalisation d’un calcul de mécanique des fluides impose de respecter

certaines règles lors de la génération du maillage, et en particulier de démontrer par une

étude de sensibilité au maillage une influence suffisamment faible de celui-ci. Le but de

l’étude de sensibilité est de vérifier l'influence du maillage par rapport à :

• la diffusion numérique : un maillage grossier induit une diffusion numérique plus

grande,

• la définition de la source : un maillage grossier ne peut pas capturer la grande

quantité de mouvement associée à la source,

• la définition du terrain : un maillage grossier lisse les ondulations du terrain.

Cela signifie que, pour déterminer la taille de maille adaptée au cas modélisé, l’utilisateur

devra présenter plusieurs calculs avec des maillages de tailles différentes, 0,8 et 1,2 fois la

volume de maille de référence, dans la zone d’intérêt, jusqu’à obtenir des résultats

comparables, c'est-à-dire un écart inférieur à 10% pour la distance à la concentration

d’intérêt (LIE ou SEI).

B. DESCRIPTION DU MAILLAGE

Dans la présente étude, trois maillages de tailles différentes ont été utilisés pour l’étude de

sensibilité.

Les trois maillages créés pour l’étude de sensibilité sont de type wedge (hexa non-structuré).

Il a été assuré d'avoir un maillage non structuré de bonne qualité. Les détails du maillage

sont décrits ci-dessous.

Table 11 : Détails des trois maillages dans la zone d’intérêt

Maillage Nombre de

cellules

Dimension de la maille la plus

grande

Dimension de la maille la plus

petite dans la zone de rejet

Grossier 668 453 18.3m 0.6m

Reference 810 080 17.6 m 0.5m

Plus fine 979 404 15.5 m 0.4m

Les images suivantes montrent les maillages au niveau de la source. La cellule minimale

concernée se situe au plan horizontal. Le maillage vertical est identique pour les trois cas.




45

Figure 28 : Visualisation du maillage grossier au niveau de la source

Figure 29 : Visualisation du maillage référence au niveau de la source




46

Figure 30 : Visualisation du maillage plus fin au niveau de la source

C. COMPARAISON ET DISCUSSION

Les résultats sont donnés en termes de hauteur maximale aux concentrations d’NH3

équivalentes SEI (612 ppm) dans une section vertical downwind pour une durée de 20

minutes Trois calculs avec des maillages de tailles différentes sont présentés dans le tableau

suivant. L’objectif de variation inférieure à 10% est atteint par rapport au maillage de

référence. Les résultats sont comparables, c'est-à-dire un écart inférieur 10% pour la

distance d’effet.

Table 12 : Comparaison des distances toxiques entre trois maillages

Case Distance (m)

Difference % (Distance)

Reference 34 -

Grossier 32 5.9%

Plus fin 35 2.9%




47

ANNEXE VI : MAILLAGE AUTOUR DES BATIMENTS

• Les bâtiments sont correctement pris en compte : le vent contourne les éléments

bloquants et le polluant ne s’accumule pas de manière non-physique devant les

bâtiments.

• Les phénomènes physiques de l’émission et notamment les gradients sont

correctement décrit: visualisation de l’éjection de matière au niveau de la source,

taille et élargissement de la zone d’expansion du jet et de la zone inertielle post

expansion (lorsque les gradients de pression sont redevenus faibles).

• Pas de « saut » de concentration d’une maille à l’autre traduisant un nombre

suffisant de mailles dans le panache pour modéliser les forts gradients de

concentrations. Les forts gradients concentrés sur les quelques cellules adjacentes

sont ainsi évités.

• Le nombre de cellules dans la couche limite et dans la recirculation ou devant les

bâtiments est suffisant.

Figure 31 : Maillage autour des bâtiments

modelisation 3d une fuite d ammoniac sur le site … · rapport final pour dekra ref 1018115 6...

Documents