Simulation CFD : Etude de la porosité latérale sur le bruit généré (2D)

Le cas de la rainure transversale ouverte, ventilée ou non, montre l’effet de la ventilation de la zone de contact sur le bruit émis par la rainure au passage du pneumatique. Sur des revêtements de chaussée denses, la présence de cavités fermées par l’enveloppe du pneumatique est susceptible de provoquer des niveaux de bruit dû au pompage d’air élevés. La présence d’une porosité « latérale » dans la zone de contact, c’est-à-dire la présence d’un réseau de canaux reliant les cavités entre elles, permettant de limiter les surpressions, est déterminante pour la réduction du bruit. L’objet de ce troisième cas est d’étudier l’effet de ces canaux sur les pressions développées dans la zone de contact et sur les niveaux de bruit émis sous la forme d’une étude paramétrique. Ce cas est résumé ci-après. Les détails sont donnés dans [70].

chaussée lisse et réparties aléatoirement. Ces cavités sont connectées par des canaux horizontaux d’épaisseur

h

sous la surface du revêtement telles que représentées sur la Figure 198. Des simulations sont effectuées pour plusieurs valeurs d’épaisseur de canaux, allant de 20 microns à 0,5 mm, avec une configuration de référence sans connexion entre cavités (

h=0

).

Figure 198 : Configuration 2D adoptée pour la caractérisation de l’effet de porosité latérale

4.3.3.7.2.

Résultats de simulation

L’évolution de la pression au cours du passage du pneumatique dans une des cavités considérées est représentée sur la Figure 199(a). L’évolution de la pression pour la configuration de cavités fermées (

h

=0) est tout à fait similaire à celle observée pour la cavité cylindrique (paragraphe 4.3.3.5), avec une phase de compression, une phase durant laquelle la surpression est maintenue dans la cavité fermée par le pneumatique, et une phase de relâchement avec résonance de Helmholtz. Pour les canaux les plus fins,

(

h

=20 microns et

h

=50 microns), la surpression est plus faible mais est tout de même maintenue pendant

toute la phase de fermeture de la cavité. Dans ces deux cas, on peut également observer une résonance à l’ouverture de la cavité. Pour les canaux plus épais, l’air peut circuler suffisamment facilement dans la zone de contact pour dissiper la surpression et la résonance à l’ouverture disparait.

Les tendances en termes de niveaux de pression acoustique calculés à 20 cm à l’avant et à l’arrière de la zone de contact (rapportée à une pression de référence de 1 Pa) sont données sur les Figures 199(b) et (c). Les maxima des spectres sont obtenus entre 2 kHz et 5 kHz. Concernant la pression générée à l’avant, la différence de niveaux maxima entre la configuration de cavités fermées et celles des canaux les plus épais est de l’ordre de 10 dB. Elle est beaucoup plus importante à l’arrière (de l’ordre de 25dB) à cause de la présence de la résonance de Helmholtz à l’ouverture des cavités pour les canaux les plus fins.

(a) (b) (c)

Figure 199 : Pressions calculées en fonction de l’épaisseur h des canaux –A gauche(a) : pression calculée dans une cavité au cours du passage du pneumatique – Au centre(b) : spectre de pression calculé devant le pneumatique – A

droite (c) : spectre de pression calculé à l’arrière du pneumatique

L’observation des vitesses moyennes du fluide dans la zone de contact permet d’appréhender le flux d’air présent au passage du pneumatique. Si pour les canaux les plus fins, les vitesses moyennes sont relativement faibles (inférieures à 0,1 m/s pour les valeurs de h inférieures ou égales à 0,1 mm), elles deviennent importantes au-delà : environ 0,3 m/s pour

h

= 0,2 mm et 1,2 m/s pour

h

= 0,5 mm, donc très inférieures aux vitesses acoustiques.

4.3.3.7.3.

Evaluation de la résistivité à l’écoulement de l’air et effet sur le bruit émis

La facilité (ou la difficulté) avec laquelle l’air peut circuler dans la zone de contact peut être caractérisée, comme pour les milieux poreux, par un paramètre physique, la résistance à l’écoulement de l’air. La

résistance à l’écoulement de l’air à travers la porosité latérale dans la zone de contact, peut être définie dans les configurations considérées plus haut comme le rapport entre la variation de pression

∆P

et le débit volumique

Q

,

R=∆P/Q

. La résistance spécifique

Rs

et la résistivité

r

à l’écoulement de l’air sont alors définies par

Rs=R.A

et

r=Rs/L

, où

A

représente la section du volume dans lequel se produit l’écoulement et

L la distance dans la direction de l’écoulement sur laquelle la variation de pression

∆P

se produit.

La résistivité à l’écoulement de l’air a été évaluée numériquement pour les configurations définies au paragraphe 4.3.3.7.1 (

h

>0) pour différentes vitesses d’écoulement U comprises entre 0,01 m/s et plus de 1 m/s. La Figure 200(a) représente l’évolution de la résistivité à l’écoulement de l’air

r

en fonction de l’épaisseur des canaux pour la vitesse la plus faible

U

= 0,01 m/s en considérant l’écoulement incompressible. L’évaluation numérique est comparée à deux modèles analytiques basés sur le principe des écoulements de Poiseuille (fluide visqueux incompressible et écoulement laminaire) qui se révèlent tout à fait valide pour la faible vitesse considérée. On peut constater la diminution importante de

r

avec l’augmentation de l’épaisseur

h

.

La Figure 200(b) donne l’évolution de la résistivité (rapportée aux valeurs obtenues à faible vitesse dans le cas incompressible) en fonction de la vitesse moyenne de l’écoulement considérée pour les différentes épaisseurs de canaux. Les évaluations numériques sont effectuées soit en négligeant la compressibilité de l’air (courbes en trait continu), soit en la prenant en compte (courbes en trait tireté). Les marqueurs ‘o’ et ‘x’ représentent les valeurs maximales et moyennes observées dans les calculs de pompage d’air décrits dans le paragraphe précédent. Ces résultats permettent de montrer que dans les conditions de roulement l’effet de compressibilité peut être négligé, l’effet de vitesse doit par contre être pris en compte pour les canaux les plus larges.

(a) (b)

Figure 200 : Gauche (a): résistivité à l’écoulement de l’air pour U=0,01 m/s en fonction de l’épaisseur h des canaux – Droite (b): résistivité à l’écoulement en fonction de la vitesse U rapportée à la valeur pour U=0,01 m/s, pour les

différentes épaisseurs de canaux

La Figure 201 représente l’évolution des niveaux de bruit (rapportés à une pression de référence de 1Pa) calculés dans le paragraphe précédent à l’avant et à l’arrière du pneumatique en fonction de la résistivité à l’écoulement de l’air obtenue pour les différentes épaisseurs de canaux. Pour de faibles valeurs de

r

, le bruit généré à l’avant se propage à travers les canaux et est resitué à l’arrière, les niveaux calculés à l’avant restant environ 2 dB plus élevés que ceux calculés à l’arrière. Une loi affine en log(r) peut être mise en évidence dans ce domaine pour le bruit émis à l’avant. Pour les valeurs de r plus élevées, le bruit émis à l’avant se stabilise et le bruit émis à l’arrière augmente considérablement à cause de la résonnance des cavités. Une loi affine en

log(r)

peut également être mise en évidence dans ce cas pour le bruit émis à l’arrière.

Figure 201 : Evolution des niveaux de bruit calculés à l’avant et à l’arrière du pneumatique en fonction de la résistivité à l’écoulement de l’air

Dans le document ODSurf : Modélisation et réalisation d'une couche de roulement de chaussée optimisée, dense et peu bruyante (Page 146-149)