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RÉSUMÉ
L’aérodynamique porte sur la compréhension des écoulements d'air et leurs effets. Similaire à celle de l’aviation et de l’automobile, l'aérodynamique ferroviaire présente quelques spécificités. Les enjeux seront analysés, en particulier pour la grande vitesse, comme la résistance à l’avancement, les effets de souffle, la susceptibilité aux vents traversiers, le confort tympanique en tunnel, le bruit aérodynamique, les envols de ballast… Les différents moyens d’essais seront explorés. La simulation numérique sera traitée, à partir des équations de Navier Stokes et de la méthode de Boltzmann. Les obligations de la spécification d'interopérabilité (STI) seront rappelées pour chaque enjeu. On mettra en perspective le développement de la grande vitesse et la simulation.
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The science of aerodynamics studies air-flows and their effects. Though quite similar to that dealing with aircraft or cars, the aerodynamics of railways displays some specific features. The main issues, especially when high speed is important, are introduced: running resistance, slipstream effect, behavior with crosswinds, pressure waves in tunnels, aerodynamic noise, flying ballast. The various test facilities are presented. Numerical simulation is described, based on the Navier-Stokes equations and the Boltzmann method. TSI rules related to each of the above aerodynamic issues are given. Finally, we put into perspective the impact on aerodynamic studies of the development of numerical simulation and the high speed train.
Auteur(s)
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Louis-Marie CLEON : Ingénieur des Mines, maîtrise de chimie physique, docteur en mécanique des fluides - Ancien chef du département structures et confort - Ancien directeur technique de la direction de la recherche
INTRODUCTION
L’aérodynamique porte sur la compréhension des écoulements d’air et leurs effets. Similaire à celle de l’aviation et de l’automobile, l’aérodynamique ferroviaire présente néanmoins quelques spécificités. Les enjeux seront analysés, en particulier pour la grande vitesse, comme la résistance à l’avancement, les effets de souffle, la susceptibilité aux vents traversiers, le confort tympanique en tunnel, le bruit aérodynamique, les envols de ballast… Les différents moyens d’essais seront explorés. La simulation numérique sera traitée, à partir des équations de Navier-Stokes et de la méthode de Boltzmann. Les obligations de la spécification d’interopérabilité (STI) seront rappelées pour chacun des enjeux. On mettra en perspective le développement de la grande vitesse et la simulation.
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KEYWORDS
running resistance | crosswinds | aeroacoustics noise | flying ballast
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Contexte5. Perspectives
Quelles sont les perspectives d’avenir ? Quelques observations :
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l’augmentation des vitesses pour le TGV ne pourra se faire que si le phénomène aérodynamique de l’envol de ballast est maîtrisé comme pour le record du monde (lors de la conception, par des opérations de maintenance, de nettoyage…), afin de limiter la dégradation de l’état de surface des roues et du rail et donc le bruit de roulement, à la fois pour l’environnement et le confort acoustique. Une conception sur dalle est évidemment une autre solution ;
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le développement d’une motorisation plus légère, comme celle à moteurs à aimants permanents, répartis sur l’ensemble des bogies, permet d’augmenter le nombre de places à longueur équivalente et d’améliorer la fiabilité du matériel du fait de moteurs plus nombreux. Cette architecture (difficile à mettre en place sur un TGV à 2 étages, quoique voir la rame du record) peut présenter cependant la difficulté déjà évoquée, de la tenue au vent du premier véhicule. Cette technique utilisée pour l’AGV a nécessité de nombreux essais ;
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l’augmentation des vitesses entraîne celui du bruit aérodynamique (figure 39) pour l’environnement et le confort acoustique en basse fréquence des voyageurs. Les moyens de prédiction comme la méthode LBM permettront d’optimiser les formes ou les zones de turbulence pour réduire les sources aéroacoustiques ;
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plébiscité pour ses atouts environnementaux, le trafic ferroviaire a toutes les chances d’augmenter dans les années à venir. D’autant que la réglementation nationale ou européenne est susceptible de limiter encore plus le bruit en environnement. Des solutions devront donc alors être trouvées ;
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l’évolution des puissances de calcul et des logiciels permet d’envisager un futur où l’aérodynamique des trains sera entièrement calculée et testée par des ordinateurs surpuissants.
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Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BELL (R.), BURTON (D.), THOMPSON (M.), HERBST (A.), SHERIDAN (J.) - Wind tunnel analysis of the slipstream and wake of a high-speed, - Journal of Wind Engineering and industrial Aerodynamics 134-2014.
-
(2) - OZAWA (S.) - Aerodynamic forces on train, - JSME 1990 ; 900-37.
-
(3) - VERGNAULT (E.), MALASPINAS (O.), SAGAUT (P.) - Noise source identification with the Lattice Boltzmann method. - J. Acoust. Soc. Am. 133, 1293-1305 (2013).
-
(4) - RICOT (D.) - Simulation numérique d’un écoulement affleurant une cavité par la méthode Boltzmann sur Réseau et application au toit ouvrant de véhicules automobiles. - PhD thesis, École Centrale de Lyon (2002).
-
(5) - BAKER (C.) - The flow around high speed trains. - Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Règlement (UE) n° 1302/2014 de la Commission du 18 novembre 2014 – STI (Spécification Technique d’Interopérabilité) « Matériel roulant – Locomotives et matériel roulant destiné au transport de passagers »
Norme EN-14067-6) NF EN 14067-6 Mai 2010
Applications ferroviaires – Aérodynamique – Partie 6 : exigences et procédures d’essai pour l’évaluation de la stabilité vis à vis des vents traversiers
NF EN 14067-5+A1 Janvier 2011
Applications ferroviaires – Aérodynamique – Partie 5 : exigences et procédures d’essai pour l’aérodynamique en tunnel
NF EN ISO 3095 Octobre 2013
Acoustique – Applications ferroviaires – Mesurage du bruit émis par les véhicules circulant sur rails – Applications ferroviaires
HAUT DE PAGE
ARIA Technologies se consacre exclusivement, depuis sa création en 1990, à l’étude de l’environnement atmosphérique, et en particulier à la simulation numérique de la dispersion des polluants atmosphériques.
AREP est la filiale d’urbanisme, d’architecture, et d’ingénierie de SNCF Gares et connexions, elle a été créée en 1997.
L’ONERA (Office national d’études et de recherches aérospatiales) est le principal centre de recherche français dans le domaine de l’aérospatiale.
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2/ Test de validation
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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