Scale interactions between the lower atmosphere and the urban canopy
Interactions multi-échelles entre la basse atmosphère et la canopée urbaine
Résumé
The urban boundary layer consists of complex coherent structures, such as large-scale low momentum regions and intermittent turbulent sweeps and ejections, which are responsible for the transport of heat, momentum and pollution. Although these structures have been well identified, their quantitative relationship with the flow inside the canopy is still unknown. Wind tunnel modelling of flow over simplified rough terrain consisting of either three-dimensional or twodimensional roughness elements are able to reproduce these structures and are used to investigate the nonlinear relationship between large-scale momentum regions and small-scales induced by the presence of the roughness. As the temporally resolved small-scale signalis not available Linear Stochastic Estimation is used to decompose the flow into large and small-scales and confirm that the large-scale structures within the overlying boundary layer influence the small-scales close to the roughness through a non-linear mechanism similar to amplitude modulation. Changing terrain configuration from 3D to 2D roughness results in a modification of the non-linear relationship closer to the shear layer that develops near the top of the obstacles. The full turbulent kinetic energy (TKE) budget including dissipation is calculated using an LE-PIV model and demonstrates that small-scale structures within the shear layer are important to the production, transport and dissipation of energy. Finally, triple decomposition of theTKE budget confirms that the non-linear relationship that exists between large-scale momentum regions and small-scales close to the roughness is related to energy transfer between these structures.
La couche limite urbaine est caractérisée par la présence de structures cohérentes complexes, telles que des structures de grande échelle à basse vitesse, et par des processus turbulents intermittents de balayage et d’éjection, responsables du transport de masse, de chaleur et de quantité de mouvement. Ces structures sont bien identifiées qualitativement mais leurs interactions avec les petites structures induites par la présence de la canopée urbaine sont encore mal connues. Afin d'étudier ces interactions, des écoulements de couche limite se développant sur des parois rugueuses sont étudiés en soufflerie. Le signal à petite échelle n'étant pas résolu temporellement, l'estimation stochastique linéaire est utilisée pour décomposer le champ de vitesse en grandes et petites échelles. On confirme que les structures à grande échelle dans la couche limite influencent les petites échelles proches de la rugosité à travers un mécanisme non linéaire similaire à une modulation d'amplitude. On montre également que la modification de la géométrie des éléments de rugosité entraîne une modification de cette interaction non linéaire dans la couche cisaillée. Le bilan complet de l'énergie cinétique turbulente (TKE), incluant la dissipation, est calculé à l'aide d'un modèle LE-PIV et démontre que les structures à petite échelle dans la couche de cisaillement sont importantes pour la production, le transport et la dissipation de l'énergie. Enfin, la décomposition triple du bilan de TKE confirme que la relation non linéaire qui existe entre les structures à grande échelle et les petites échelles proches de la rugosité est liée au transfert d'énergie entre ces structures.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|
Loading...