Introduction
Depuis l’invention de la soufflerie, les ingénieurs ont trouvé d’innombrables utilisations pratiques. Ce qui a commencé comme un outil de recherche aérodynamique est devenu au fil du temps un élément important du développement des aéronefs, avant de trouver des applications en génie civil. Celles-ci comprennent l’étude des charges de vent, des mouvements structurels, des effets environnementaux et des conditions d’essai pertinentes pour les exigences des codes du bâtiment.
Cet article présente les bases des études en soufflerie à couche limite (BLWT), puis aborde certains des défis auxquels les ingénieurs ont été confrontés lors de la simulation du vent naturel. Il examine ensuite les technologies et techniques disponibles aujourd’hui qui permettent d’étudier la couche limite atmosphérique.
Table des matières
- Introduction
- Expériences en soufflerie à couche limite en génie civil
- Qu’est-ce que la couche limite atmosphérique ?
- Conception d’expériences en couche limite
- Effets du vent sur les structures
- Effets environnementaux sur les structures
- Comment fonctionne une soufflerie à couche limite ?
- Comment générer une couche limite atmosphérique à l’aide d’un mur de vent ?
- Conclusion
Figure 1 : Maquette 3D d’un WindShaper utilisé pour tester des maquettes de bâtiments
Expériences en soufflerie à couche limite en génie civil
Parmi les premières expériences documentées étudiant les effets de l’air sur les objets, certaines remontent à 1742 et 1759. Les scientifiques effectuaient ces essais en fixant des objets sur des bras rotatifs qu’ils faisaient tourner dans l’air. Un schéma de ce dispositif d’essai est présenté dans la figure ci-dessous. Il a fallu plus de 150 ans pour que cette technologie primitive évolue vers les outils et techniques modernes utilisés dans les secteurs de l’aérospatiale et du génie civil (source).
Figure 2 : Un ancien schéma d’un système de bras rotatifs, entraîné par un poids tombant pour tester l’écoulement de l’air sur des objets (source)
Les premières souffleries étaient principalement utilisées pour simuler un écoulement d’air stable et uniforme. Elles étaient donc utiles pour la conception d’aéronefs et de profils aérodynamiques dans le secteur aérospatial, ainsi que pour des applications automobiles.
Il semblait raisonnable de supposer que les souffleries pouvaient également être utilisées en génie civil pour simuler les conditions réelles du vent et évaluer le comportement des structures avant leur construction. Cependant, les ingénieurs ont rapidement compris que l’écoulement d’air lisse et uniforme produit par les souffleries existantes ne représentait pas de manière réaliste le comportement plus chaotique et turbulent du vent atmosphérique.
Pour les applications en génie civil, l’écoulement d’air dans la soufflerie devait reproduire les principales caractéristiques de la couche limite atmosphérique, ce qui était beaucoup plus difficile à réaliser. Pour comprendre pourquoi, nous devons d’abord examiner le comportement de la couche limite atmosphérique.
Qu’est-ce que la couche limite atmosphérique ?
En mécanique des fluides, une couche limite est la région située à proximité d’une surface où l’écoulement est influencé par son interaction avec cette surface. Dans une couche limite générale, l’écoulement peut être laminaire ou turbulent. Le nombre de Reynolds, une valeur sans dimension décrivant l’influence relative des forces d’inertie et de viscosité, est l’un des facteurs qui affecte ce comportement.
Des nombres de Reynolds plus faibles favorisent généralement un écoulement laminaire, tandis que des nombres de Reynolds plus élevés augmentent la probabilité d’une transition vers un écoulement turbulent. La rugosité de la surface, les perturbations, la géométrie et d’autres facteurs peuvent également influencer cette transition. La différence entre les couches limites laminaires et turbulentes est illustrée dans la figure ci-dessous.
Figure 3 : Démonstration de la couche limite dans un écoulement laminaire et turbulent (source)
La couche limite atmosphérique est la partie la plus basse de l’atmosphère, où le vent est directement influencé par la surface de la Terre.
L’écoulement du vent atmosphérique au-dessus de la surface de la Terre est comparable à celui d’une couche limite turbulente au-dessus d’une surface relativement plane. Lorsque le vent s’écoule au-dessus du sol, du terrain, des bâtiments, des arbres et d’autres éléments de surface, l’écoulement est perturbé, ce qui peut générer de la turbulence. La turbulence est également produite par des effets thermiques, lorsque le Soleil chauffe la surface de la Terre et provoque la montée de l’air plus chaud.
D’autres turbulences peuvent être générées par la convection atmosphérique associée aux nuages. Une illustration de la couche limite atmosphérique est présentée ci-dessous.
Figure 4 : Structure de la couche limite atmosphérique (source)
Reproduire ces conditions atmosphériques dans une soufflerie est complexe. C’est pourquoi la technologie des souffleries à couche limite est apparue plus tard dans l’histoire des souffleries.
Parmi les cas d’utilisation courants étudiés à l’aide d’expériences sur la couche limite atmosphérique figurent :
- Charges de vent chaotiques sur les bâtiments de grande hauteur
- Simulation de l’accumulation de neige sur les toits
- Écoulement du vent autour des bâtiments industriels
- Écoulement du vent au niveau des piétons dans les zones urbaines
- Effets de sillage et vitesse de l’écoulement dans les parcs éoliens
- Performances aérodynamiques des drones et des UAV
Conception d’expériences en couche limite
Pour les applications en génie civil, ces expériences peuvent être globalement regroupées en deux catégories : les effets du vent et les effets environnementaux sur les structures.
Effets du vent sur les structures
L’un des usages les plus courants d’une soufflerie à couche limite consiste à étudier le mouvement attendu des bâtiments et des structures sous l’effet du vent atmosphérique. Le mouvement induit par le vent peut être suivi à l’aide de caméras, tandis que des capteurs de force situés à la base de la maquette peuvent mesurer les efforts tranchants et les moments s’exerçant sur le bâtiment. Un exemple de soufflerie à couche limite avec une structure utilisée pour tester les charges de vent est présenté ci-dessous.
Figure 5 : Mémorial de l’armée de l’air des États-Unis à Arlington, Virginie, avec une flèche de 270 pi (82 m) testée dans une BLWT (source)
Aujourd’hui, les essais en BLWT sont devenus un élément établi de l’évaluation de la réponse des bâtiments au vent. En Ontario, par exemple, tout bâtiment de plus de 60 mètres, ou dont la hauteur est supérieure à quatre fois sa largeur effective minimale, doit être testé dans une BLWT avant sa construction.
Les BLWT sont également utilisées pour étudier les modèles aéroélastiques qui subissent des déformations ou d’autres mouvements induits par le vent et qui s’accentuent avec l’augmentation des charges de vent. Ces structures sont généralement flexibles, de faible masse et peu amorties, comme :
- Les cheminées
- Les mâts
- Les ponts à grande portée
- Les lignes de transmission
Effets environnementaux sur les structures
Le deuxième cas d’utilisation des BLWT en génie civil consiste à étudier les effets environnementaux. Dans les climats froids, on étudie l’accumulation et le transport de la neige sur les bâtiments dotés de grandes structures de toiture. Cela permet aux concepteurs de déterminer où la neige s’accumule sur les bâtiments, de dimensionner la structure pour les charges de neige qui en résultent et de planifier le déneigement si nécessaire. Une image d’une maquette utilisée pour étudier l’accumulation de neige dans une soufflerie est présentée ci-dessous.
Figure 6 : Maquette d’un bâtiment recouverte d’un matériau semblable à la neige pour simuler l’accumulation de neige (source)
Des bâtiments très rapprochés peuvent créer des zones où le vent s’accélère autour des espaces piétonniers. La prévision et la mesure des rafales de vent moyennes et maximales dans ces zones permettent d’améliorer l’aménagement du site et le confort des piétons. Des villes comme Boston, Toronto, New York et San Francisco exigent des données d’essais en BLWT sur les vents au niveau des piétons, avec et sans les nouvelles structures, avant d’autoriser leur construction.
Dans les zones industrielles, les émissions provenant des évents des bâtiments, des cheminées industrielles et des automobiles figurent parmi les principales sources de polluants atmosphériques, et leur dispersion et leur localisation après leur émission peuvent être difficiles à suivre et à prévoir. La modélisation physique dans une BLWT permet aux chercheurs d’estimer la dispersion des polluants et d’identifier les endroits où des concentrations élevées peuvent se produire.
Comment fonctionne une soufflerie à couche limite ?
Les chercheurs souhaitaient adapter les infrastructures existantes de soufflerie pour effectuer des essais structurels dans des conditions de vent plus réalistes. Ils ont découvert que l’écoulement d’air dans la soufflerie pouvait être ajusté pour simuler la couche limite atmosphérique. Les chercheurs y sont parvenus en ajoutant des dispositifs d’ajustement de l’écoulement, tels que des flèches, des générateurs de tourbillons et des clôtures, capables de reproduire la couche limite atmosphérique.
Ces dispositifs fonctionnent en perturbant l’écoulement d’air uniforme pour créer des tourbillons turbulents qui mélangent l’air au fur et à mesure qu’il se déplace vers l’aval. Ce mélange crée un écoulement turbulent et modifie le profil de vitesse afin que la vitesse du vent augmente progressivement avec la hauteur, de manière similaire au profil vertical de vitesse du vent observé dans la couche limite atmosphérique. Un exemple de ce type de système de soufflerie est présenté dans la figure ci-dessous.
Figure 7 : Soufflerie traditionnelle simulant les conditions de la couche limite atmosphérique avec une maquette de bâtiments (source)
Comment générer une couche limite atmosphérique à l’aide d’un mur de vent ?
Un mur de vent tel que le WindShaper est composé de réseaux de ventilateurs en rotation contraire, contrôlables individuellement, ce qui permet à l’opérateur de générer des conditions de vent uniformes ou turbulentes réalistes.
La couche limite atmosphérique peut être reproduite avec le WindShaper en contrôlant les profils de vitesse du vent et de turbulence sur toute la section d’essai. La vitesse des ventilateurs peut être réglée plus bas dans les rangées inférieures et augmentée progressivement dans les rangées supérieures. De plus, les ventilateurs en rotation contraire de chaque module de ventilation permettent au WindShaper de générer un écoulement turbulent sans nécessiter une longue section d’essai équipée de dispositifs supplémentaires d’ajustement de l’écoulement. Une illustration d’un dispositif d’essai avec le WindShaper et un îlot urbain en maquette est présentée ci-dessous.
Figure 8 : Vue latérale 2D du WindShaper générant des conditions de couche limite atmosphérique
Le cisaillement du vent est une autre condition pertinente pour les études éoliennes en génie civil. Il décrit une variation de la vitesse et de la direction du vent sur une distance donnée. Nous avons réalisé une vidéo démontrant comment le cisaillement du vent peut être simulé avec le WindShaper et mesuré à l’aide du WindProbe.
Des chercheurs de l’UCLouvain ont installé un WindShaper qui leur permet de reproduire la couche limite atmosphérique pour tester les éoliennes et la dynamique des parcs éoliens. Les essais utilisent des maquettes d’éoliennes, qui permettent aux chercheurs de recueillir des données plus rapidement et à un coût bien inférieur à celui d’essais sur le terrain à taille réelle. L’université prévoit également d’utiliser le mur de vent pour tester des drones, des hélicoptères, le vol biomimétique et des conditions météorologiques environnementales telles que la pluie et la neige.
Conclusion
Les essais en soufflerie à couche limite sont devenus un élément important du génie civil, soutenant des applications allant des études des charges de vent sur les structures à l’accumulation de neige et à la dispersion des polluants.
Ces expériences dépendent de la capacité de l’équipement à reproduire les profils de vitesse du vent et les caractéristiques de turbulence observés dans la couche limite atmosphérique.
À mesure que les méthodes d’essai continuent de s’améliorer, des technologies comme le WindShaper élargissent les possibilités de reproduire, de contrôler et d’étudier les conditions de vent atmosphérique en laboratoire.
À quelle autre application pensez-vous que les essais en soufflerie sur la couche limite atmosphérique pourraient être bénéfiques ? Faites-le-nous savoir dans les commentaires.