Contexte général

Le sujet ...

La traversée d'un train dans un tunnel est un phénomène physique qui n'est pas parfaitement connu par le monde de la Mécanique des Fluides. Il rallie en effet plusieurs grandes problématiques de la CFD comme un domaine mobile, des écoulements probablement compressibles, un nombre de Reynolds important impliquant une modélisation turbulente du problème. Du point de vue de l'aérodynamique, là encore, la problématique est plutôt rarement étudiée vu qu'il s'agit d'un écoulement externe, autour du train, mais ne pouvant pas se rapprocher à l'aérodynamique classique vu que l'espace est confiné, ce qui rend tout point de comparaison à des phénomènes vus en aérodynamique en domaine ouvert impossible. Les distances mises en jeu constitue également un problème du point de vue du temps de calcul, ce qui contraint les industriels à adopter des solutions telles que des modèles 1D. Toutefois, la CFD reste un outil puissant quand il s'agit de vérifier et de valider des modèles.

D'une part, une connaissance plus précise des phénomènes mis en jeu dans ce type de mécanisme intéresse les constructeurs de trains dans l'idée d'améliorer les performances aérodynamiques de leur produit et le confort des passagers. D'autre part, cela intéresse aussi les constructeurs de tunnels qui souhaitent connaître les efforts que subissent les parois du tunnel dans le but de mieux décrire la fatigue mécanique éprouvée au cours du temps par ces structures. Cela leur permettrait de renforcer de manière plus efficace et plus pertinente les zones du tunnel sensibles au passage du train afin d'éviter tout écroulement du tunnel sans avoir à prendre trop de précautions grâce à une relative confiance en les résultats d'un calcul CFD.


Le projet ...

C'est dans ce cadre que l'entreprise Techam-Ingénierie, société de conseils en ingénierie, a été sollicitée par la société d'ingénierie et de conseils SETEC, spécialisée notamment dans le BTP, afin de réaliser une étude sur le mouvement d'un train dans un tunnel.


Source : http://www.lerm.fr/le-lerm-et-le-groupe-setec.html                                   Source : http://techam-ingenierie.fr/

Mr. Tekam a alors accepté cette mission et a décidé, en accord avec ses clients, d'utiliser le code de calculs libre OpenFOAM pour une première approche de ce problème. C'est dans ce cadre que Mr. Tekam s'est renseigné auprès des encadrants du BEI à l'ENSEEIHT afin de réaliser ces travaux de type "étude de faisabilité". Ce sujet nous paraissant intéressant, nous nous sommes tous portés volontaires pour participer à ce projet et nous avons eu le plaisir d'y être acceptés.


Les objectifs ...

Plus concrètement, deux groupes participent à ce sujet. L'un de ces groupes réalisera une étude des modèles de turbulence dans le cas d'aérodynamique en espace confiné (que vous trouverez ici). Un maillage précis d'un train dans un tunnel leur a été fourni et ils mettront en valeur les défauts et les atouts de quelques modèles judicieusement choisis.

Le deuxième groupe, nous concernant, essaiera quant à lui de mettre en place les procédés de maillage mobile proposés par OpenFOAM et de résoudre les problèmes géométriques apparaissant lorsque le train parcours le domaine d'un bout à l'autre.

Une phase finale aura ensuite lieu pour un travail commun entre ces deux groupes qui consistera à, une fois le maillage mobile maîtrisé et les modèles de turbulence mieux connus dans ce type de problèmes physiques, étudier les modèles de turbulence avec le maillage mobile puisque c'est finalement l'objectif final de ce sujet de BEI.


Les hypothèses ...

Ce sujet étant fortement axé sur un travail de CFD, nous devons faire une première hypothèse qui, il est vrai, n'est pas forcément respectée. Nous nous sommes, en accord avec Mr Tekam, tout de suite tourné vers un écoulement de type incompressible. En effet, il nous paraissait dangereux, dans le temps imparti, de prendre compte des problèmes numériques rencontrés avec les écoulements compressibles comme la capture des chocs ou le traitement aux bords du domaine pour éviter toute réflexion d'onde acoustique ou isentropique. De plus, le cahier des charges stipule que la vitesse du train doit être de l'ordre de $40 m/s$,  ce qui correspond à un nombre de Mach de $Ma=0.11$ et la limite pour les écoulements incompressibles est autour de $Ma=0.3$, ce qui valide toutefois cette hypothèse.

L'étude a également été menée en deux dimensions, pour des raisons de temps de calcul principalement, étant donné les moyens de calcul dont nous disposons pour ce projet. En effet, par la suite, le nombre de mailles utilisé en 2D est de l'ordre de 100 000. Pour avoir un maillage correct dans la troisième direction, il aurait fallu au moins une vingtaine de mailles aux endroits les moins raffinés, ce qui aurait impliqué plusieurs millions de mailles, et ce n'était clairement pas envisageable pour ce projet.


Plan de l'étude

L'étude s'est alors organisée de la façon suivante :

    1. Problème physique et cahier des charges

    2. OpenFoam

    3. Validation des outils utilisés

    4. Mise en place de la simulation numérique

    5. Ajout de la turbulence

    6. Résultats : analyse et comparaisons

    7. Perspectives

    8. Remerciements

    9. Références