Amélioration du confort des piétons dans l'environnement bâti grâce à la simulation CFD

Par Edward Keyrouz

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Selon la Banque mondiale, 56% de la population mondiale – 4,4 milliards d'habitants – habitent des villes. La population urbaine ayant plus que doublé d'ici 2050, où près de 7 sur 10 personnes vivront en ville. Alors que la croissance et la régénération des villes se poursuivent, il y a une aspiration correspondante pour l'espace. Cependant, la ceinture de verdure environnante étant une ressource protégée, cela peut rencontrer à juste titre une résistance à la planification. Avec notre compréhension des changements climatiques et de l'importance de la végétation, il y a eu une poussée subséquente vers l’expansion verticale de la ville à travers des bâtiments à plusieurs étages.

La croissance des tours urbaines s'accompagne d'une demande accrue d'espaces verts où les gens peuvent se rassembler, se détendre et profiter de leur environnement. Cependant, la présence de ces espaces verts au sein d'une myriade d'immeubles de grande hauteur rend difficile d'assurer le confort des piétons et l’utilisabilité de l'espace tout au long de l'année.  Il devient nécessaire de comprendre l'applicabilité du confort du vent extérieur pour les piétons afin de veiller à ce que les espaces verts soient conçus et situés de manière optimale pour maximiser leur fonction tout au long de l'année, ce qui inclut l'atténuation des effets d’écoulement autour des immeubles de grande hauteur à proximité.

Lors de la planification des bâtiments et des sites, la modélisation conceptuelle précoce peut mesurer le risque. Une analyse du confort des piétons, à l'aide d'une simulation de la Mécanique des Fluides Numérique (CFD) est effectuée pour étudier les conditions entourant le site sous une gamme de vitesses et de directions de vent. Considérez-le comme une soufflerie virtuelle, où un modèle de simulation CFD du site est massé et soumis aux considérations d’essai. La vitesse de l'air est mesurée aux points d'intérêt, et ces données ainsi que les données météorologiques locales sont utilisées pour obtenir une perspective annuelle de la vitesse d’air locale dans la zone d'intérêt. Une analyse statistique peut être ensuite effectuée pour vérifier la conformité aux divers critères de confort du vent. Avec ce modèle, le retour de vitesse peut être introduit et les tests peuvent être relancés pour optimiser la conception.

La simulation CFD est essentielle pour comprendre les défis du flux d'air autour des bâtiments dans les zones bâties

Prenons le cas où le vent frappe la façade d'un bâtiment. L'équation de Bernoulli indique que l'air ralentira et que la pression de la façade du bâtiment augmentera de manière significative. La tendance naturelle est alors que l'air à haute pression s'écoulera vers une zone de pression inférieure qui existe généralement à la base du bâtiment ; un effet appelé ‘downwash’ (vers le bas). Ces flux sont régulièrement observés à la base des immeubles de grande hauteur, notamment lorsqu'ils sont entourés d'immeubles moins hauts. Une fois que le downwash atteint le niveau du sol, il se propage horizontalement et les piétons subissent des rafales soudaines. Ces rafales se produisent même dans des conditions qualifiées de « brise légère » par les données météorologiques enregistrées et peuvent conduire à des microclimats.

Un deuxième exemple d'accélération de l'air est lorsque les tracés des rues sont canalisés d'un chemin large vers un chemin étroit. Il s'agit d'une situation courante dans les aménagements de centres-villes existants, mais cela peut être pris en compte dans les nouveaux projets de régénération. Il est également observé dans les cas où il y a de grandes ouvertures, à la base des bâtiments, utilisées pour créer des espaces comme un hall d'accueil. Bien que visuellement impressionnant et imposant, sa faiblesse est le potentiel d'accélération de l'air.

Trop souvent, les deux situations se combinent avec l'effet se multipliant et parfois générant des conditions dangereuses. Il y a eu de nombreux cas où des piétons se sont plaints de difficultés à ouvrir les portes et à traverser confortablement les espaces ouverts en raison du déséquilibre de pression. En intégrant la simulation CFD au processus de planification, ces problèmes peuvent tous être réglés pour assurer un confort optimal aux piétons.

Passons maintenant au critère de Lawson, la métrique populaire actuellement utilisée, qui est divisée en deux parties. Premièrement, il couvre le confort des piétons pour des activités régulières comme marcher, se tenir debout et s'asseoir. Cela aide à déterminer la convivialité d'un emplacement ou d'un site par rapport à cette activité particulière. Le critère établit des seuils de vitesses d’air locales en fonction de l'activité, qui ne peuvent pas être dépassées plus de 5 % des seuils annuels. L'autre aspect est le critère de sécurité qui stipule les vitesses d'air qui ne peuvent pas être dépassées même une fois par an. Cela permet de s’assurer que les piétons et les cyclistes ne sont pas en danger de blessures physiques à cause des vitesses d’air élevées.

L'impact des développements urbains est ressenti globalement par les émissions de carbone, leurs conditions internes (comme nous vivons et travaillons en leur sein), mais aussi dans la façon dont nous nous déplaçons et nous profitons de l’espace entre eux. Grâce à la modélisation de simulation CFD, nous pouvons tirer le meilleur des trois.

Les experts CFD d'IES Consulting utilisent une combinaison d'IESVE MicroFlo et du progiciel tiers de CFD Engys® HELYX®. MicroFlo a été développé pour fournir à nos clients un progiciel de simulation MFN (CFD) relativement simple et accessible qui peut être utilisé par les ingénieurs en conjonction avec notre outil ApacheSim. Le progiciel Engys® HELYX® CFD, dérivé des bibliothèques OpenFOAM®, nous permet d'utiliser des outils sur mesure pour effectuer des analyses complexes comme les centres de données, les études de polluants externes, le confort des piétons et les flux externes avec transfert de chaleur, etc.

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