Atmospheric pollutant dispersion on industrial sites : concentration fluctuations in complex geometry terrains
Dispersion atmosphérique de polluants en zones industrielles : fluctuations de concentration dans les terrains à géométrie complexe
Résumé
Accidental releases of airborne pollutants at industrial sites pose serious risks to human health and the environment. Toxic, reactive, or explosive compounds emitted during such events endanger onsite workers, emergency responders, and nearby populations. The severity of these incidents depends on whether pollutant concentrations exceed toxicity, flammability, or explosivity thresholds. Accurate estimation of concentration fields is therefore essential for emergency management and impact assessment. However, the complex geometry of industrial sites—comprising buildings, tanks, and pipes —enhances turbulence and flow irregularities, making reliable predictions of mean and peak concentrations difficult. Instantaneous peaks may exceed average levels by several orders of magnitude, representing an additional hazard.This work experimentally investigates concentration fluctuations from a gaseous pollutant released over an idealised industrial site representative of refineries, chemical plants, and steelworks. The site includes a porous structure mimicking pipe and tank assemblies, whose effects on flow and turbulence are analysed. The experiments reveal complex recirculating and channelling patterns, with wake dynamics strongly influenced by the porous density.Several analytical models for the one-point concentration probability density function (PDF) are evaluated. The gamma distribution best represents the midfield, while the lognormal performs better near the source; neither fully reproduces the complete experimental PDF, though both capture the high-concentration tails (95th-99th percentiles). An analytical model for threshold exceedance times offers a rapid, though approximate, tool for operational estimates.Finally, two Lagrangian dispersion models are compared and validated against experiments. The semi-empirical PMSS model computes flow fields from adjusted meteorological profiles accounting for obstacle-induced recirculation, while SLAM (Safety Lagrangian Atmospheric Model) employs precomputed RANS simulations with a k-ε turbulence closure. Their respective advantages and limitations are discussed across varying source locations, wind directions, and site configurations.
Les rejets accidentels de polluants atmosphériques sur les sites industriels représentent un risque majeur pour la santé humaine et pour l'environnement. Les composés toxiques, réactifs ou explosifs émis lors de tels événements mettent en danger les travailleurs du site, les équipes d'intervention d'urgence ainsi que les populations environnantes. La gravité de ces incidents dépend du dépassement éventuel des seuils de toxicité, d'inflammabilité ou d'explosivité des polluants. L'estimation précise des champs de concentration est donc essentielle pour la gestion de crise et l'évaluation des impacts. Cependant, la géométrie complexe des sites industriels — comprenant bâtiments, réservoirs et canalisations — accentue la turbulence et les irrégularités de l'écoulement, rendant difficile la prévision fiable des concentrations moyennes et des valeurs extrêmes. Les pics instantanés peuvent dépasser les valeurs moyennes de plusieurs ordres de grandeur, constituant ainsi un risque supplémentaire.Ce travail étudie expérimentalement les fluctuations de concentration d'un polluant gazeux émis au-dessus d'un site industriel idéalisé, représentatif des raffineries, usines chimiques et aciéries. Le site comporte une structure poreuse reproduisant les assemblages de canalisations et de réservoirs, dont les effets sur l'écoulement et la turbulence sont analysés. Les expériences mettent en évidence des régimes complexes de recirculation et de canalisation, avec des dynamiques de sillage fortement influencées par la densité de porosité.Plusieurs modèles analytiques de la fonction de densité de probabilité (PDF) des concentrations ponctuelles sont évalués. La distribution gamma décrit le mieux la zone intermédiaire, tandis que la loi log-normale reproduit plus fidèlement les concentrations proches de la source ; aucune ne restitue toutefois entièrement la PDF expérimentale, bien que les deux capturent correctement la queue de la distribution, associée aux fortes concentrations (95e et 99e percentiles). Un modèle analytique des temps de dépassement de seuil est également proposé, fournissant un outil rapide, quoique approximatif, pour des estimations opérationnelles.Enfin, deux modèles de dispersion lagrangiens sont comparés et validés à partir des données expérimentales. Le modèle semi-empirique PMSS calcule les champs d'écoulement à partir de profils météorologiques ajustés pour tenir compte des recirculations induites par les obstacles, tandis que SLAM (Safety Lagrangian Atmospheric Model) s'appuie sur des simulations RANS préalablement calculées avec une fermeture de turbulence k-ε. Leurs avantages et limites respectifs sont discutés selon les positions de la source, les directions de vent et les configurations du site.
Domaines
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