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11/19/2013
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Modélisation multi-physique et multi-échelle de la ville
• Université de Technologie de Compiègne
• Avenues – Génie des Systèmes Urbains (EA7284)
• Benoit Beckers [email protected]
Ecole d’automne « Ville et Acoustique », GDR VISIBLE – Benoit Beckers 21/10/2013
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La physique urbaine - enjeux
© NASA GSFC
U U
1940 1970 2000 2030 ?
“ … If current trends in population density continue and all areas with high probabilities of urban
expansion undergo change, then by 2030, urban land cover will increase by 1.2 million km2, nearly
tripling the global urban land area circa 2000.”
Seto K. C., Güneralp B. & Hutyra L. R., “Global forecasts of urban expansion to 2030 and direct impacts on biodiversity and
carbon pools”, Proceedings of the National Academy of Sciences of USA,2012 October 2; 109(40): 16083–16088.
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La physique urbaine - enjeux
“The combination of an increasing number of human beneficiaries of ecosystem services and
increasing competition for the land that provides these services is a worldwide phenomenon for
which the policy implications are only now beginning to be considered.”
Eigenbrod V.F., Bell A., Davies H.N. et al. (2011), “The impact of projected increases in urbanization on ecosystem services”,
Proceedings of the Royal Society B. 278:3201-3208.
“The heat generated by everyday activities in metropolitan areas [of Northern Asia and North
America] has a significant enough warming effect to influence the character of the jet stream and
other major atmospheric systems during winter months.”
Guang J. Zhang, Ming Cai & Aixue Hu, Energy consumption and the unexplained winter warming over northern Asia and North Guang J. Zhang, Ming Cai & Aixue Hu, Energy consumption and the unexplained winter warming over northern Asia and North
America, Nature Climate Change (January 27, 2013)
“Urban Physics is a well-established discipline, incorporating relevant branches of physics,
environmental chemistry, aero-dynamics, meteorology and statistics. Therefore, Urban Physics is
well positioned to provide key-contributions to the existing urban problems and challenges.”
Moonen P., Defraeye T., Dorer V., Blocken B., Carmeliet J., “Urban Physics: Effect of the micro-climate on comfort, health and
energy demand”, Frontiers of Architectural Research (2012) 1, 197–228
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La physique urbaine - références
La Physique Environnementale se développe dans les années 1970 (rendement des cultures), 1980
(forêts et pluies acides), 1990 (trou dans la couche d’ozone), 2000 (changement climatique). Parmi
ses méthodes : le bilan local des flux d’énergie (conductif, radiatif, sensible et latent).
L’application des mêmes méthodes aux structures urbaines est proposée dès les années 1970 par
T. R. Oke, autour de la problématique de l’Ilot de Chaleur Urbain. On peut dès lors parler de
Physique Urbaine.
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La physique urbaine - références
Ces dernières années, des progrès considérables dans plusieurs domaines annexes: systèmes
d’information géographique, standardisation du niveau de détail des modèles 3D, mesures terrestres
et satellitaires, puissance de calcul des ordinateurs,…
…permettent une première appréhension de la physique urbaine par la simulation numérique.
Cadre: “smart”, “safe” and “sustainable” city.
Emergence de la thermique urbaine (climat urbain, flux thermiques bâtiment-ville-territoire,
efficience énergétique, production locale d’énergie renouvelable).
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Rappel : le corps noir
α + ρ + τ = 1α + ρ + τ = 1α + ρ + τ = 1α + ρ + τ = 1
Pour tout λ, on a:
α (λ) = ε (λ)
Loi de Kirchhoff
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_spectral_series
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Rappel : le corps noir
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2 1
1
hc
k T
hcL
e
λ
λλ
=
−
3
max2.898 10T mKλ
−
= ×
α + ρ + τ = 1α + ρ + τ = 1α + ρ + τ = 1α + ρ + τ = 1
( ) ( )2 4 4
r iQ Wm T Tσ− = −
Lois de Planck, Wien et Stefan-Boltzmann
Pour tout λ, on a:
α (λ) = ε (λ)
Loi de Kirchhoff
http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body
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Ondes courtes et ondes longues
T = 5700 K T = 288 K
4 000 λ (nm)400 - 700 nm
UV visible IR proche IR thermique
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Ondes courtes et ondes longues
W m-2 sr-1
Radiance
lm m-2 sr-1
Luminance
W m-2
Irradiance
lm m-2
Illuminance
Un rayonnement de 1 W émis à λ = 555 nm (maximum de sensibilité de l’œil en vision photopique) correspond à 683 lumens – CIE, SI
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La lumière naturelle
Soleil
Ciel
Réflexion diffuse
Réflexion spéculaire
Coefficient de réflexion
Critère: UDI,…
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La lumière naturelle
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La lumière naturelle
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La lumière naturelle
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La lumière naturelle
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La lumière naturelle
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Sensibilité spectrale
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Sensibilité spectrale
T = 5700 K T = 288 K
4 000 λ (nm)400 - 700 nm
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Commentaires…
- Faible connaissance des propriétés thermiques des matériaux constituant le milieu urbain. En
particulier, la réflexion des ondes courtes est traitée avec un seul paramètre, généralement une
moyenne sur les longueurs d’ondes visibles (RGB).
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- Le système RGB est lui-même un modèle très simplifié de la vision humaine diurne. En fait, les perceptions visuelles, acoustiques et thermiques sont incommensurables.
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Thermographie
M. Vollmer & K.-P. Möllmann “Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications”, Wiley-VCH, 612 pages, 2010.
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Thermographie
M. Vollmer & K.-P. Möllmann “Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications”, Wiley-VCH, 612 pages, 2010.
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Des méthodes à mettre en commun pour…
Mesure de la qualité du tuilage de la voûte céleste: indice de couverture du dôme :
1. Recherche du rayon maximum des cercles inscrits dans les cellules d’aires égales.
2. Multiplication de l’aire de ce cercle par le nombre de cellules.
3. Division de l’aire totale des cercles par l’aire de l’hémisphère.
Ic = 73.23 %
±1000 cellules
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Sky vault partition for computing daylight availability and shortwave energy budget on an urban scale,
Benoit Beckers, Pierre Beckers, Lighting Research and Technology, Online-first published on September 6, 2013
On propose d’effectuer des calculs intensifs avec une discrétisation fine de
la voûte céleste (de l’ordre de 20000 éléments, d’aires égales et de
compacité maximale).
Dans ce but, on utilise la technique des charges unitaires de façon à rendre
la solution du système d’équations universelle c’est-à-dire indépendante
du lieu et de l’époque.
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… Un problème multi-échelle
TerritoireTerritoire
VilleVille
250 km x 250 km250 km x 250 km
MACRO
MESOVilleVille
BâtimentBâtiment
1 km x 1 km1 km x 1 km
10 m x 10 m10 m x 10 m
MESO
MICRO
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3D URBAN MODEL
• 3DModel wisely simplified
• Roofs and façades correctly oriented, tilted
• Windows: rectangles shifted from the façades
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Model of Compiègne,
GSU, 2009-2010
(20 000 triangles)
3D URBAN MODEL
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Model of Compiègne,
GSU, 2009-2010
(20 000 triangles)
3D URBAN MODEL
www.heliodon.net
« Heliodon 2 », Benoit Beckers & Luc Masset, 2003-2010
www.heliodon.net
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Model of Compiègne,
GSU, 2009-2010
(20 000 triangles)
3D URBAN MODEL
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Commentaires…
- A cause du rayonnement solaire (ombrage, réflexions), la thermique est le domaine de la physique
urbaine le plus exigent quant au modèle 3D urbain (sous-sol exclu) : relief naturel, inclinaison des
toits, fenêtres et protections doivent être pris en compte.
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- Les études de physique urbaine sont extrêmement coûteuses en données d’entrée (géométrie 3D dotée d’une sémantique, données météorologiques,…), d’où l’importance d’intégrer ses différents
domaines.
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Situation de l’acoustique dans la physique urbaine
- L’acoustique s’applique à l’urbain de manière très progressive. Un simple cadastre extrudé peut
donner lieu à de premières quantifications. Les difficultés tiennent à la méconnaissance des
propriétés acoustiques des matériaux (à mieux cerner pour définir un modèle 3D universel pour la
physique urbaine), mais aussi à celle des sources (activités humaines) et des perceptions (notion
d’ambiance), qui impliquent une approche pluridisciplinaire. Des études multiphysiques sontégalement pertinentes (influence de la météorologie sur le champ sonore).
- Pour l’optimisation des nouveaux ensembles urbains, l’efficience énergétique s’impose (dans le
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- Pour l’optimisation des nouveaux ensembles urbains, l’efficience énergétique s’impose (dans le
sens de la ville durable), et donc le kWh/m2 comme unique unité de la fonction objectif. Puisque
l’acoustique (de même que l’éclairement et l’éclairage ) est incommensurable avec la thermique, la notion de “confort acoustique” doit pouvoir s’exprimer sous la forme de contraintes (par
exemple: une rue très bruyante empêche la ventilation naturelle,…). Une formulation cohérente et
complète de ce problème d’optimisation serait très éclairante pourrait conduire à des pratiques de
planification et d’aménagement urbain mieux maîtrisées…
