Approche de l’analyse
Dans cette étude, nous cherchons à appliquer la simulation CFD pour obtenir les forces générées par l’écoulement dans un tunnel submergé, en particulier la composante dynamique de la force verticale. Dans le dimensionnement de ces structures, cette charge doit être considérée avec les contributions dues au trafic, au poids propre, etc.
La dynamique des fluides numérique permet de résoudre numériquement les équations régissant le mouvement du fluide et d’obtenir ainsi le champ de pression et les contraintes tangentielles sur la structure. Afin d’évaluer la composante dynamique, l’analyse effectuée est de type transitoire.
Tout d’abord, nous étudions un cas de base avec un seul cylindre modélisant un seul tunnel, pour lequel des données expérimentales sont disponibles dans des références bibliographiques connues. Le cas que nous voulons analyser a un nombre de Reynolds élevé d’environ 40 millions.
Préparation des modèles CFD
Pour effectuer les analyses, nous utilisons un modèle pseudo-2D que nous résolvons dans le logiciel Cradle ScFlow. Le domaine de l’eau autour du tunnel doit être suffisamment étendu pour minimiser l’influence des conditions limites du modèle sur la structure.
Il faut ensuite générer un maillage capable de capturer les effets de la couche limite et le comportement général du fluide. Les images suivantes montrent le domaine utilisé et un détail du maillage :
Le flux d’eau entre dans le domaine du côté gauche à une vitesse imposée en fonction du nombre de Reynolds à étudier, et sort librement sur les autres surfaces du champ lointain.
Résultats de la simulation CFD
La simulation CFD permet de voir les sillages dans le flux généré par le tunnel et de mesurer l’effet dynamique des forces générées.
Ces analyses permettent d’obtenir des paramètres d’intérêt tels que le nombre de Strouhal sans dimension ou la moyenne des coefficients de portance et de traînée. Le graphique suivant montre le résultat obtenu pour les forces verticales.
Ces résultats correspondent bien aux données expérimentales obtenues dans la littérature sur la dynamique de référence. Pour le nombre de Strouhal, un cas moins turbulent est testé, avec Reynolds 10000, et le cas Reynolds 40 millions, obtenant dans les deux cas des résultats qui s’accordent avec les résultats expérimentaux dans la gamme de précision indiquée dans la littérature.
Études avec configurations supplémentaires
Une fois la méthodologie validée, nous passons à l’étude d’autres configurations d’intérêt. Nous commençons cette phase en analysant le cas de deux lignes de tunnels parallèles, comme cela pourrait être le cas pour mettre en œuvre les deux sens de circulation. Les contours des tunnels sont séparés par une distance égale à un quart du diamètre.
La force verticale obtenue ne présente pas une forme sinusoïdale aussi clairement définie que dans le cas initial, nous procédons donc à une analyse de Fourier pour trouver les principales contributions de la réponse obtenue. L’image montre l’analyse effectuée pour le tunnel frontal.
Enfin, nous avons étudié l’effet de l’inclusion des deux tunnels dans une enveloppe en forme d’ellipse, afin d’adoucir l’effet de l’écoulement sur la structure. En étudiant le champ de pression et les forces sur la structure, nous avons constaté que pour de petits angles d’incidence, l’effet désiré est atteint, mais que pour des angles d’incidence plus raides de l’écoulement, le comportement est moins souhaitable.
En particulier, une zone de basse pression apparaît dans la partie supérieure du front, qui produit des forces un peu plus élevées que dans le cas initial dans la direction opposée à l’écoulement initial.
