1.2 Action du vent sur les constructions
1.2.3 Limitations des mod`eles empiriques
Les mod`eles propos´es dans les paragraphes pr´ec´edents, relient de fa¸con empirique les ef-forts turbulents aux fluctuations de vitesses de l’´ecoulement incident. Ces mod`eles “ignorent” les complications de l’a´erodynamique r´eelle et proposent des relations lin´eaires simples, va-lables dans une certaine gamme de fr´equence r´eduite. Or, dans le cas des structures non profi-l´ees, la turbulence, g´en´er´ee par la structure elle-mˆeme, influence fortement ces efforts, ce qui ex-plique, en partie, les diff´erences observ´ees entre les profils d’aile et les sections de pont. Aussi, la prise en compte de cette “signature turbulente”, qui se manifeste au travers du sillage ins-tationnaire, est indispensable. Mais ce ph´enom`ene constitue un probl`eme suppl´ementaire pour lequel on ne trouve pas d’´equivalent dans les th´eories de l’a´eronautique. Pour le repr´esenter, il faut comprendre et ´etudier les m´ecanismes qui r´egissent les ´ecoulements autour de structures non profil´ees. Pour cela, plusieurs voies exp´erimentales ont d´ej`a ´et´e ouvertes [Singh (1997)]. Dans ce travail, nous avons choisi d’utiliser la m´ecanique des fluides num´erique. Nous d´eve-loppons ce point dans le chapitre suivant, et nous consacrons l’int´egralit´e du chapitre 5 `a la caract´erisation de la signature turbulente.
CHAPITRE 1. ETUDE PR ´ELIMINAIRE - BIBLIOGRAPHIE 35
Conclusion
La couche limite atmosph´erique est la partie de l’atmosph`ere, fortement turbulente, situ´ee juste au dessus de la surface terrestre. Dans cette r´egion, `a l’´echelle microm´et´eorologique, le vent est un ´ecoulement d’air turbulent constitu´e de tourbillons de tailles diff´erentes, emport´es par le mouvement d’ensemble.
Par vents forts, cette turbulence est purement m´ecanique, c’est `a dire uniquement li´ee aux caract´eristiques a´erodynamiques des sites ´etudi´es.
Comme dans tout ´ecoulement turbulent, on repr´esente la vitesse du vent par un vecteur consti-tu´e d’une partie moyenne, d´eterministe, et d’une partie turbulente, al´eatoire.
Seules des mesures sur site permettent de d´eterminer de fa¸con pr´ecise toutes les caract´eris-tiques des composantes de la vitesse du vent en un endroit donn´e. Cependant, pour exprimer ces caract´eristiques, on dispose d’expressions empiriques qui donnent de bonnes estimations sur un grand nombre de sites non complexes. Ces formules empiriques sont directement utili-s´ees pour d´eterminer les caract´eristiques des forces a´erodynamiques exerc´ees par le vent sur les constructions. De plus, nous les utiliserons, au chapitre 3, pour d´efinir des conditions initiales et aux limites dans le cadre d’une approche bas´ee sur la m´ecanique des fluides num´erique. Enfin, notons qu’on les retrouve dans les algorithmes de certains codes de calculs qui g´en`erent num´e-riquement des signaux temporels synth´etiques repr´esentant le vent [Attou (1994)].
Le vent interagit avec les obstacles qu’il rencontre : la pr´esence d’un obstacle oblige le vent `a le contourner, ce qui modifie localement sa vitesse et sa trajectoire, r´eciproquement, le vent induit un champ de force sur les parois de l’obstacle qu’il rencontre. Si, sous l’action de ces forces, l’obstacle entre en mouvement, ces derniers viennent `a leur tour perturber l’´ecoulement de l’air et modifier la nature des efforts exerc´es par le vent.
Pour ´etudier l’action du vent sur les constructions ´elanc´ees, il faut ´etudier `a la fois le couplage a´ero´elastique, entre le vent et les structures, et l’action dynamique engendr´ee par la turbulence atmosph´erique. Pour cela, une mod´elisation pr´ealable de la source d’effort engendr´ee par le
vent est n´ecessaire. C’est cette mod´elisation qui int´eresse notre travail.
Diff´erentes ´etapes sont n´ecessaires `a la caract´erisation des efforts a´erodynamiques induits par le vent sur un ouvrage. La premi`ere consiste `a estimer les caract´eristiques du vent sur le site d’implantation de la structure et `a analyser l’influence de l’environnement proche. Pour cela, des mesures sur site sont effectu´ees, ou des mod`eles de variations empiriques sont utilis´es. La seconde, consiste `a mesurer, en soufflerie, les caract´eristiques a´erodynamiques de la structure sur une maquette `a ´echelle r´eduite.
Connaissant ces informations, un mod`ele quasi-statique, corrig´e par l’utilisation de fonctions d’admittance, permet de relier ces caract´eristiques aux caract´eristiques des forces a´erodyna-miques. Cependant cette m´ethode, issue de l’a´eronautique, ne permet pas de prendre en compte l’influence de la turbulence g´en´er´ee par la structure elle-mˆeme.
Aussi, pour compl´eter les r´esultats existants, nous avons choisi d’utiliser la m´ecanique des fluides num´erique. Dans le prochain chapitre, nous pr´esentons les mod`eles qui permettent de repr´esenter, sur un site donn´e, les efforts a´erodynamiques induits par le vent sur les structures
allong´ees. Notre objectif ´etant de d´eterminer le niveau de description le mieux adapt´e `a notre ´etude.
Chapitre 2
Mod´elisation de la turbulence
atmosph´erique
Introduction
Durant de nombreuses ann´ees, seules des ´etudes exp´erimentales, en soufflerie ou sur site, ont permis d’´etudier le vent dans la couche limite atmosph´erique. Devant l’am´elioration des performances des calculateurs, tant en place m´emoire qu’en vitesse de calcul, la m´ecanique des fluides num´erique (Computational Fluids Dynamic, ou CFD, en anglais) s’est d´evelopp´ee et l’id´ee d’utiliser un mod`ele math´ematique pour repr´esenter le vent c’est impos´ee. Rapide-ment, des mod`eles capables de repr´esenter aussi bien la diffusion de polluant dans l’atmosph`ere [Levi-Alvares et Sini (1992)] que l’interaction entre le vent et les constructions ont ´et´e propo-s´es. De ces derniers travaux est n´ee une nouvelle discipline : l’´etude num´erique de l’action du vent sur les structures (Computational Wind Engineering, ou CWE, en anglais) dont l’objectif est de repr´esenter num´eriquement le vent turbulent, `a l’aide de mod`eles bas´es sur la r´esolution des ´equations de Navier-Stokes, afin d’´etudier son action sur les ouvrages de g´enie civil. Dans ce second chapitre, apr`es avoir pr´esent´e les ´equations d’´evolution des ´ecoulements turbulents et les techniques de r´esolution existantes, nous d´eterminerons l’approche la mieux adapt´ee `a notre ´etude.