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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)
-
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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Les différents phénomènes aérodynamiques de traînée : pression, couche limite laminaire, turbulence…
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1. Contexte
1.1 Bref historique de l’histoire de l’aérodynamique, de l’aviation au train
L’étymologie du terme aérodynamique vient du grec aerios (qui signifie l’air) et dunamikos (la force). C’est donc une branche de la dynamique des fluides qui porte sur la compréhension et l’analyse des écoulements d’air autour d’un corps en mouvement. Cela concerne les êtres vivants comme les oiseaux, les différents moyens de transport comme les avions, les automobiles et les trains. Historiquement pouvoir voler a toujours fasciné les hommes, depuis le rêve d’Icare dans la mythologie jusqu’à Léonard de Vinci (1452-1519). Celui-ci en observant le vol des oiseaux et leur physiologie découvrit l’existence de différences de pression autour d’une aile (figure 1) et vers 1500 ébaucha plusieurs idées de machines volantes estimant que « l’homme était capable de se maintenir dans les airs par le moyen d’ailes battantes ». Galilée (1564-1642) réalisa ensuite des travaux novateurs sur la nature de la résistance de l’air.
En 1655, Robert Hooke s’inspirant des travaux de Léonard de Vinci, affirma, quant à lui, que tout vol humain sans l’assistance d’un moteur était impossible. On commence alors à mettre l’aérodynamique en équations. Isaac Newton (1643-1727) élabore le principe fondamental de la dynamique : « l’accélération subie par un corps dans un repère galiléen est proportionnelle à la résultante des forces qu’il subit, et inversement proportionnelle à sa masse ».
Daniel Bernoulli (1700-1782) formule son théorème sur l’écoulement des fluides incompressibles. Il énonce que dans le flux d’un fluide une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression et réciproquement. Il a posé ainsi les bases de la dynamique des fluides. Initialement utilisé pour des fluides en circulation dans une conduite, son principe a trouvé un important champ d’application en aéronautique (portance). Leonhard Euler (1707-1783) établit pour sa part une théorie sur la résistance d’un fluide au mouvement d’un corps et Pierre Simon de Laplace (1749-1829) celle sur la vitesse de propagation du son dans l’air. L’application de l’aérodynamique à des objets mobiles a vu le jour lorsque les premiers pionniers de l’aviation ont tenté de faire voler des engins plus...
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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.
-
(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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