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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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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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2. Les différents phénomènes aérodynamiques de traînée : pression, couche limite laminaire, turbulence…
Pour entrer progressivement dans la physique des phénomènes, examinons l’évolution de la vitesse de l’air, vue par un capteur placé à mi-hauteur de véhicule le long de la voie, lors du passage d’un train dans un environnement idéal (sans vent traversier, sur voie plane et en ligne droite) (figure 17). Elle débute par un pic au passage du nez du train, puis la vitesse de l’air progresse doucement le long du train dans ce qu’on appelle la couche limite avec quelques perturbations au passage des bogies et des intervalles entre véhicules, suit un pic plus important et plus large au passage de la queue du train.
L’évolution d’une vitesse d’air moyenne avec un capteur placé à hauteur de toiture présenterait également des perturbations au passage du pantographe.
On peut distinguer plusieurs zones spécifiques : au nez du train, une zone importante de couche limite le long du train, des zones plus larges, probablement turbulentes, autour des bogies et des espaces entre véhicules, à la queue du train, et au sillage arrière du train.
Quels sont les phénomènes en jeu ? Le déplacement d’un corps en mouvement dans l’air crée un torseur de forces se décomposant à la surface de la géométrie en des forces normales de pression liées à la pression statique sur les surfaces et des forces de frottement tangentielles liées aux contraintes visqueuses dues à la viscosité de l’air (figure 18).
Concrètement, la traînée globale générée par le déplacement d’un train dans l’air comprend ainsi quatre phénomènes distincts (figure 19) :
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l’air exerce une pression directe sur l’avant du train, c’est la traînée de forme avant ;
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l’air glisse à la surface de la carrosserie du train mais les filets d’air se déplacent à des vitesses différentes (de V = 0 sur la surface à V égal à la vitesse du train à une certaine distance de la surface dans le référentiel attaché au train), c’est la traînée de frottement ;
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la couche limite de l’air laminaire décolle, entre en régime turbulent puis tourbillonnaire au contact de divers obstacles, saillies ou protubérances (bogies, césure entre caisses, pantographe, dessous de caisse,...
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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.
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(2) - OZAWA (S.) - Aerodynamic forces on train, - JSME 1990 ; 900-37.
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(3) - VERGNAULT (E.), MALASPINAS (O.), SAGAUT (P.) - Noise source identification with the Lattice Boltzmann method. - J. Acoust. Soc. Am. 133, 1293-1305 (2013).
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(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
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