Introduction
Dans le domaine du génie éolien, la modélisation précise et la validation sont essentielles pour garantir l’intégrité structurelle et les performances aérodynamiques de diverses structures exposées au vent, telles que les antennes (Image 1). Ces structures, souvent caractérisées par leur géométrie élancée, leur légèreté et leur hauteur considérable, sont intrinsèquement vulnérables aux charges de vent. Même des conditions de vent modérées peuvent imposer des forces significatives sur de tels éléments en raison de leur grand rapport surface-masse. Les antennes, en particulier, nécessitent une attention particulière lors du processus de conception et d’analyse pour garantir leur stabilité, leur fonctionnalité et leur sécurité dans le temps. Les tests en soufflerie, les simulations informatiques et les mesures sur le terrain sont couramment utilisés pour prévoir avec précision les pressions et les réponses au vent. Une évaluation et des stratégies d’atténuation appropriées sont essentielles non seulement pour prévenir les dommages structurels, mais également pour maintenir une performance opérationnelle continue, notamment dans les applications critiques de communication ou de surveillance. Dans l’exemple de validation actuel, le coefficient de force pour la simulation CFD avec RWIND et l’étude expérimentale [1] de l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle est étudié.
Pour relever ces défis, une validation rigoureuse des modèles numériques est nécessaire pour vérifier que les prédictions théoriques s’alignent sur la performance réelle. Un tel exemple est la validation des simulations de charge de vent sur les antennes par le biais de tests expérimentaux et de l’analyse de mécanique des fluides computationnelle (CFD). Ce processus permet aux ingénieurs d’affiner leurs modèles, ainsi que d’améliorer la précision et la fiabilité générale des structures d’antenne dans diverses conditions environnementales.
En collaboration avec l’université RWTH Aachen, une institution de premier plan en ingénierie et sciences appliquées, des études pratiques sont menées sur des structures d'antenne exposées aux charges de vent. En combinant des approches théoriques avec des données empiriques, la recherche vise à combler le fossé entre la simulation et la réalité, contribuant au développement de conceptions d’antennes plus sûres et plus résilientes. Cette étude souligne l’importance de la validation dans le génie éolien, et démontre comment la collaboration université-industrie peut conduire à des technologies de modélisation plus précises et à une amélioration des performances structurelles dans des applications réelles.
Description
Dans l’exemple de validation actuel, le coefficient de force pour la simulation CFD avec RWIND et l’étude expérimentale [1] de l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle est étudié. Le modèle représente trois antennes à arêtes vives dans RWIND, positionnées au-dessus d’une surface grillagée servant de plancher d’exploration de vent. Le modèle comprend plusieurs étiquettes dimensionnelles en magenta, indiquant des mesures spécifiques : la hauteur totale de l’antenne est de 0,50 m ; sa base est surélevée de 0,20 m par rapport au sol, comme le montre la figure 2.
Données d’entrée et hypothèses
L’hypothèse requise pour la simulation des flux vent est illustrée dans le tableau suivant :
| Tableau 1 : Ratio dimensionnel et données d’entrée | |||
| Vitesse du Vent | V | 10 | m/s |
| Hauteur | h | 0,5 | m |
| Écart inférieur | Gap | 0,20 | m |
| Densité de l’air - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Directions du vent | θvent | 0o à 360o avec une étape de 30o | Degré |
| Modèle de turbulence - RWIND | Écoulement RANS stabilisé k-ω SST | - | - |
| Viscosité cinématique - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordre du schéma - RWIND | Deuxième | - | - |
| Valeur cible du résidu - RWIND | 10-4 | - | - |
| Type de résidu - RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimum d’itérations - RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction de paroi - RWIND | Enhancé / Hybride | - | - |
| Intensité de turbulence | I | 3% | - |
Étude du maillage de calcul
Une étude de maillage de calcul est essentielle dans l’analyse CFD car elle affecte directement la précision et la fiabilité des résultats. Bien qu’un maillage bien affiné améliore la précision, un raffinement excessif augmente le coût en puissance de calcul sans avantage significatif. Par conséquent, les études de sensibilité du maillage permettent de trouver l’équilibre optimal entre précision et efficacité, ce qui permet une meilleure prise de décision avec une utilisation pratique des ressources. Le tableau affiché dans le coin inférieur droit compare diverses densités de maillage allant de 10% à 30% et leurs coefficients de force correspondants (Cf).
En savoir plus sur l’étude du maillage de calcul :
Résultats et discussion
La figure 4 présente une analyse comparant les données expérimentales et simulées relatives au coefficient de force du vent agissant sur la structure de l’antenne. Au centre de l’image, un graphique de ligne illustre la variation du coefficient de force Cf en fonction de la direction du vent θ, mesurée en degrés de 0∘ à 360∘. L’axe vertical représente le coefficient de force Cf, allant de 0,0 à 1,0, et l’axe horizontal représente les directions du vent par intervalles de 30 degrés. Deux ensembles de données sont tracés sur le graphique : la ligne noire avec des marqueurs triangulaires représente les mesures expérimentales, tandis que la ligne verte avec des marqueurs circulaires représente les résultats de simulation obtenus avec RWIND.
En savoir plus sur la façon de calculer le coefficient de force du vent dans RWIND :
Le graphique montre que les résultats expérimentaux et RWIND suivent une tendance similaire, indiquant un haut niveau de concordance entre les deux. En général, le coefficient de force présente un comportement périodique, avec des baisses notables aux directions du vent d'environ 60∘ et 180∘, où les valeurs de Cf sont à leur plus bas. Des pics sont observés autour de 0∘, 120∘, 240∘, et 330∘, où la structure subit les forces induites par le vent les plus élevées. L’alignement étroit des deux courbes illustre que RWIND capture avec précision la réponse aérodynamique de la structure, avec une déviation moyenne rapportée d’environ 5% par rapport aux données expérimentales.
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Dans l’ensemble, l’étude actuelle examine efficacement le processus de validation d’une simulation numérique des flux de vent par rapport aux résultats expérimentaux physiques. Elle montre que RWIND fonctionne très bien en reproduisant les données expérimentales sur différentes directions de vent, suggérant son adéquation pour prédire les charges de vent sur des structures verticales élancées comme les mâts d’antennes. La combinaison de données graphiques, de visuels structurels et de simulation de champ d’écoulement fournit une représentation claire et bien équilibrée de la méthodologie et des résultats de l’étude.
De plus, l’exemple de l’antenne à arête vive simple de l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle se trouve ici :
