Vérification des efforts aérodynamiques

Mots clés : Calculs mécaniques des fluides, CFD, efforts aérodynamiques, signature de pression, fatigue mécanique, mobilité, infrastructures 

Enjeux et objectifs

Les problématiques d’entrées en tunnel ont fait surface dans les années 1960 avec le développement des trains à grande vitesse. Avec des vitesses dépassant les 300 km/h, les conducteurs restent contraints de réduire leur vitesse à l’approche de tunnels et ceux malgré les avancées techniques dans le domaine de l’aérodynamique ferroviaire. 

L’entrée d’un train dans un tunnel produit des  fluctuations de pressions, plus ou moins fortes, selon la longueur du train, sa vitesse mais aussi la section du tunnel. Ces  ondes de compression  se réfléchissent aux extrémités et entrent en interaction avec la géométrie du train et du tunnel. Les variations soudaines de pression provoquées par ces ondes sont une source d’inconfort pour le passager et entraînent également une  fatigue précoce du matériel roulant  et fixe du tunnel. Un bang sonique, résultant de l’onde de compression, peut également être ressenti en sortie de tunnel avec des conséquences sur les riverains et infrastructures à proximités du tunnel. 

Les problématiques générées par le passage d’un train dans un tunnel sont plus complexes que celles en champ libre. Même s’il est généralement admis que l’écoulement autour d’un train est  instationnaire, turbulent  et  compressible  en champ libre, les effets de compressibilité de l’air ne sont pas ou rarement pris en compte pour des  nombres de Mach  inférieurs à 0.3. Mais pour des études de train en tunnel, du fait de la réduction de section de passage, l’écoulement est détérioré et les effets de compressibilité de l’air doivent alors être pris en compte. 

Les paramètres les plus influents sur les niveaux de pression au passage d’un train dans un tunnel sont sa longueur, sa vitesse, la longueur du tunnel et le  taux de blocage  (ratio entre la surface projetée du train et la surface de passage du tunnel). 

La détermination de ces niveaux de pression, en vue de respecter des critères de tenue mécanique (fatigue notamment) mais aussi biophysiques (confort des passagers), est à considérer dans toute conception de ce type de matériel roulant. Chaque combinaison train/tunnel peut alors être décrite par une  signature de pression. 

La norme  ferroviaire EN 14067-5  décrit l’allure de la variation de pression statique en un point précis au sein d’un tunnel à mesure qu’un train le traverse : 

Ξ Lors de l’entrée du nez du train dans le tunnel, il se produit une nette augmentation de pression  ΔPN. L’air devant le nez est comprimé générant une première  onde de compression  se propageant à l’intérieur du tunnel à la vitesse du son. 

Ξ À mesure que le train pénètre dans le tunnel, se produit une seconde phase d’augmentation de pressions  ΔPfr  au point de mesure, alimentée par les effets de frottement de l’air le long de la structure externe du train. 

Ξ Au moment où la queue du train entre dans le tunnel, de l’air est happé par le sillage du train depuis l’extérieur vers l’intérieur. C’est l’effet de piston. Une onde de détente se produit à l’origine d’une baisse de la pression  ΔPT. 

Ξ Au passage du nez du train au point de mesure survient une brusque chute de pression  ΔPHP. C’est la zone de dépression due à l’accélération de l’air au passage du train. 

L’expertise de nos équipes en  mécanique des fluides  permet à CIMES de développer des modèles de  validations numériques  prédictifs afin d’accompagner les différents acteurs de la mobilité dans leur phase de conception comme de validation, par méthode itérative manuelle ou en intégrant des solutions d’optimisation automatisée. 

Prestations CIMES 

Ξ Modélisation tridimensionnelle  de la structure du train 

Ξ Simulation des phénomènes de  couplage train/tunnel 

Ξ Mise en place de  plan d’expérience 

Ξ Visualisation des  champs de pression  et mesure de la pression statique 

Ξ Analyse de l’évolution des  efforts aérodynamiques  par simulations instationnaires : portance, trainée, efforts latéraux 

Ξ Implémentation de  maillage mobile 

Ξ Evaluation des  écoulements compressibles 

Ξ Optimisation  des performances aérodynamique vis-à-vis du cadre normatif 

Ξ Corrélation  essais-calculs  à partir de données expérimentales (soufflerie veine longue, …)