Simulation, mesure et analyse des phénomènes et de l’environnement urbains

SIMAPE regroupe les chercheurs travaillant sur la mesure, l’instrumentation, la simulation, la représentation et les expérimentations dédiées à la ville et aux territoires.

Ces travaux de recherche sont appliqués aux problématiques urbaines telles que la thermique, la qualité de l’eau et de l’air, le climat urbain. Différentes échelles sont étudiées allant du capteur au quartier. 

Les approches numériques sont utilisées dans différents domaines d’application. On s’intéresse au design de nouveaux capteurs, à l’analyse de sensibilité, à la réduction des temps de calcul par des approches mathématiques dites de «bases réduites», au développement de méthodes numériques efficaces, à la compréhension et à la représentation des phénomènes physiques urbains. 

Les approches empiriques basées sur des mesures physiques sont également réalisées pour l'amélioration de la connaissance - des capteurs, matériaux ou phénomènes - mais aussi pour la paramétrisation et l'amélioration des modèles. 

Les chercheurs d'IMSE sont amenés à réaliser des expérimentations en conditions réelles dans des territoires tels que le quartier de Paris La Défense ou dans le démonstrateur Sense-city.  

ACTIVITES

Nouveaux capteurs

Dans le cadre de ERC Nacre, nous étudions le développement d’une nouvelle génération des capteurs chimiques de gaz à base des nanomatériaux (nanotubes de carbone et matériaux 2D), très sensibles, sélectifs à un gaz spécifique, facilement transportables, de faible consommation d’énergie et à faible coût. Nous étudions toute la chaîne allant de la synthèse des nanomatériaux au développement des capteurs de gaz portable de très haute performance. Après la validation des tests de laboratoire, nous étudierons l’intégration de ces capteurs dans des systèmes communiquant afin de valider leurs performances dans des conditions réelles dans le cadre de Sense City. La partie expérimentale est complétée par une étude théorique.

Chercheur : Fatima Bouanis

Langue et nez électronique à nanotubes de carbone pour la qualité de l’eau et de l’air

Les enjeux sanitaires et environnementaux requièrent la mesure, à bas cout et à haute précision, d’un grand nombre de paramètres physico-chimiques de l’air et de l’eau dans des milieux complexes et agressifs. Les nanomatériaux, notamment les nanotubes de carbone, organisés en nez et langues électroniques, c’est-à-dire en matrices très denses de micro-capteurs, se sont révélés en laboratoire comme une solution privilégiée pour ce type d’applications, mais les verrous scientifiques et technologiques à lever pour leur déploiement dans des environnements réels. Les travaux ont pour but de lever ces verrous : ils incluent notamment le design numérique de nouveaux capteurs (méthodes ab-initio), la fabrication reproductible en petite et moyenne série de langue et nez électroniques à nanotubes de carbone (y compris la pré-industrialisation), l’intégration de ces capteurs dans des solutions bout-en-bout de l’internet des objets, leur déploiement et validation en laboratoire et en environnement réaliste voire réel, et enfin la mise en place d’outils algorithmiques fins de calibration et d’exploitation des données produites.

Chercheur : Berengère Lebental

Projets : H2020 LOTUS, HE HS4U, ANR CARDIF

Quantification des incertitudes et analyse de sensibilité

La quantification des incertitudes et l'analyse de sensibilité cherchent à caractériser au mieux la confiance que l'on peut attribuer à une prédiction, qu'elle soit issue d'expérimentations physiques ou numériques. Intrinsèquement interdisciplinaires, ces deux thématiques reposent sur des analyses mathématiques et statistiques, ainsi que sur des développements algorithmiques et informatiques spécifiques, et sont particulièrement importantes lorsque l'on travaille avec des modèles potentiellement imprécis et des données insuffisantes, comme c'est le cas lors de la mise au point de nouveaux capteurs.

Chercheur : Guillaume Perrin

Projets : H2020 LOTUS, HE HS4U, ANR CARDIF

Modélisation physique et Méthodes numériques appliquées à la thermique et à la qualité de l’air

Dans une démarche de monitoring urbain, le nombre de capteurs déployés est généralement très limité en raison du coût, de la maintenance, de l’encombrement, etc. La modélisation et la simulation numérique des phénomènes physiques urbains peuvent permettre de pallier ce manque de mesures. Ainsi, le jumeau numérique est un outil prometteur pour une meilleure compréhension de la complexité multi-physiques et multi-échelles de la ville.

Au sein du laboratoire IMSE, des méthodes numériques couplant mesure et modélisation physique basée sur des équations aux dérivées partielles sont développées et appliquées à diverses problématiques urbaines (ex : qualité de l’air, thermique) à différentes échelles (paroi, bâtiment, quartier). L’optimisation numérique et la résolution de problèmes inverses sont utilisées pour positionner intelligemment l’instrumentation urbaine, détecter des anomalies, cartographier des descripteurs physiques et sélectionner des aménagements urbains pertinents. Afin de valider les méthodes proposées, des expérimentations sont réalisées dans l’Equipex Sense-City et dans des démonstrateurs sur site réel.

Chercheur : Julien Waeytens  

Projets : FUI MIME-SYS, E3S, ANR RESBATI, ANR RESBIOBAT.

Méthodes des bases réduites pour la modélisation en milieu urbain

Parmi nos travaux de recherche, une partie porte sur l’étude et le développement de nouvelles méthodes de réduction centrés autour de l’objectif suivant : Proposer des méthodes numériques pour la résolution de problèmes dépendant de paramètres qui sont peu intrusives, à bas coût, robustes et efficaces.

Ces méthodes numériques sont appliquées en autre pour la modélisation de la thermique du bâtiment, la simulation d’écoulement turbulent et la modélisation de dispersion de polluants.

Chercheur : Rachida Chakir

Analyse des situations caniculaires et des solutions rafraichissantes 

Devant la multiplication des vagues de chaleur, des recherches sont menées pour identifier et cartographier les points de chaleurs extrêmes dans les villes (Repextrem), l'efficacité de solutions rafraichissantes (Fraicheur) ainsi la planification et la mise en œuvre de solutions rafraichissantes dans différentes collectivités (Freshway). Cet axe de recherche associe une approche physique - pour la compréhension du climat urbain et des échanges thermiques -  et géographique - pour la représentation de la spatialité des phénomènes, l'analyse des acteurs, des planifications et réalisations urbaines. 

Chercheur : Anne Ruas

Projets : MTE-RDT REPEXTREM; i-site FRAICHEUR; ADEME FRESHWAY  

Démonstrateurs et Living-lab - le cas Sense-city : démonstrateur urbain 

Sense-city est un équipement d'excellence, financé par le PIA 3. Il est constitué de deux petits quartiers de 400 m² et d'un réseau dense de capteurs calibrés. Un des deux quartiers est composé d'un bâtiment en béton, d'une maison en bois et d'une maison isolée en fibre de bois, de deux réseaux d'eau et d'un réseau géothermique. L'autre quartier est composé d'une rue canyon, d'un bâtiment en terre crue, d'arbres de pluie et d'un jardin d'eau. Chaque quartier peut fonctionner à l'air libre ou dans une chambre climatique amovible permettant le contrôle des conditions météorologiques. 

Les données récoltées par les différents réseaux de capteurs et obtenus par la simulation numérique peuvent être intégrées dans des systèmes de monitoring avancés des villes et des territoires.

Des solutions potentiellement innovantes sont prototypées et évaluées sur la plateforme Sense-City en liaison avec des développements d’outils de simulation (avec objectif de passage du TRL 5).

Equipe Sense-City

Directeur : Stéphane Laporte

Ingénieur Expérimentation : Yan Ulanowski