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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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4. Moyens d’essais et de calcul
4.1 Méthodes et moyens d’essais
En métrologie fluidique, il existe une grande quantité de moyens de mesure, donnant l’accès aux différentes grandeurs, principalement la pression, la température et la vitesse. Parmi ces méthodes, on peut citer deux types :
-
les méthodes intrusives dans lesquelles les mesures sont obtenues en plaçant des dispositifs à l’intérieur de l’écoulement et de ce fait pouvant les perturber. À titre d’exemple, nous pouvons citer les tubes de Pitot pour la mesure de pression totale, ou indirectement de vitesse et le fil chaud pour la mesure de vitesse ;
-
les méthodes non intrusives dans lesquelles on emploie des dispositifs qui ne perturbent pas l’écoulement, ou du moins à des niveaux acceptables pour la mesure. Les mesures optiques sont généralement considérées comme non intrusives. Parmi celles-ci, les méthodes de vélocimétrie par images de particules (PIV), l’anémométrie laser Doppler (LDA) sont employées pour la mesure de vitesse.
4.1.1 Mesure de vitesse au tube de Pitot
Le tube de Pitot (figure 46) est un élément constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière :
-
l’un est placé orthogonalement au déplacement. Il est dans un fluide dont la vitesse relative est la vitesse à mesurer et dont la pression statique est la pression ambiante ;
-
l’autre est placé dans le sens de l’écoulement. Il a une vitesse relative nulle et une pression totale, somme de la pression dynamique et de la pression statique. Un manomètre différentiel fournit la différence des deux, c’est-à-dire la pression dynamique.
Ce résultat est obtenu en application du théorème de Bernoulli : au sein de l’écoulement stationnaire d’un fluide parfait incompressible, que celui-ci soit irrotationnel ou non,...
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Moyens d’essais et de calcul
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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