Introduction
Dans le domaine du génie éolien, la modélisation précise et la validation minutieuse sont essentielles pour maintenir la stabilité structurelle et l’efficacité aérodynamique des structures sensibles au vent, comme les antennes. En raison de leur forme élancée, de leur faible masse et de leur hauteur considérable, ces structures sont particulièrement sensibles aux forces du vent. Même des vents relativement faibles peuvent exercer une pression substantielle en raison de leur ratio surface-masse élevé. Assurer la sécurité, la stabilité et le bon fonctionnement à long terme des antennes nécessite une conception et une analyse rigoureuses. Pour prédire avec précision les effets induits par le vent, les ingénieurs se fient généralement aux essais en soufflerie, aux simulations informatiques et aux mesures sur site. Une évaluation et une atténuation efficaces sont cruciales non seulement pour éviter les défaillances structurelles, mais aussi pour assurer une performance ininterrompue, surtout dans les systèmes de communication et de surveillance vitaux. Dans l’exemple actuel de validation, le coefficient de force pour la simulation CFD dans RWIND et l’étude expérimentale [1] de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle est examiné.
Pour surmonter ces défis, il est essentiel de valider rigoureusement les modèles de calcul pour assurer que leurs prédictions reflètent le monde réel. Un exemple clé est la validation des simulations de charge de vent sur les antennes à l’aide d’essais expérimentaux et de simulations CFD. Cette approche permet aux ingénieurs d’affiner les modèles, d’améliorer la précision prédictive et d’accroître la fiabilité structurelle des antennes dans diverses conditions environnementales.
En collaboration avec l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle, une institution de premier plan en ingénierie et sciences appliquées, des études pratiques sont menées sur les structures d’antennes 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, et contribue ainsi au développement de concepts d’antennes plus sûres et plus résistantes. Cette étude souligne l’importance de la validation en génie éolien, et démontre comment la collaboration entre le milieu universitaire et l’industrie peut conduire à des techniques de modélisation plus précises et à une meilleure performance structurelle dans des applications réelles.
Description
Dans l’exemple actuel de validation, le coefficient de force pour la simulation CFD dans RWIND et les essais expérimentaux [1] de l’Université RWTH est examiné. Le modèle représente six antennes à arrêtes vives dans RWIND, positionnées au-dessus d’une surface de grille servant de plancher ou de sol de soufflerie. Le modèle inclut 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 montré dans la figure 2.
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Données d’entrée et hypothèses
L’hypothèse nécessaire pour la simulation du 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 en bas | Écart | 0,20 | m |
| Densité de l’air - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Directions du vent | θvent | 0o à 360o avec un pas de 30o | Degré |
| Modèle de turbulence - RWIND | Écoulement stable RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosité cinématique - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordre du schéma - RWIND | Second | - | - |
| Valeur cible résiduelle - RWIND | 10-4 | - | - |
| Type de résidu - RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimum d’itérations - RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction murale - RWIND | Améliorée / Mélangée | - | - |
| Intensité de turbulence | I | 3% | - |
Étude de maillage de calcul
Une étude du maillage de calcul est essentielle dans le cadre de l’analyse CFD car elle affecte directement la précision et la fiabilité des résultats. Alors qu’un maillage bien raffiné améliore la précision, un raffinement excessif augmente la consommation de puissance de calcul sans bénéfice significatif. Par conséquent, les études de sensibilité du maillage aident à trouver un 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 différentes densités de maillage allant de 20 % à 35 % et leurs coefficients de force correspondants (Cf).
Pour 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 concernant le coefficient de force du vent agissant sur la structure complexe de l’antenne. Au centre de l’image, un graphique en 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 augmentant par intervalles de 30 degrés, de 0∘ à 360∘. 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 en utilisant RWIND.
Pour en savoir plus sur comment calculer le coefficient de force du vent dans RWIND :
La figure 4 illustre également que les résultats expérimentaux et ceux de RWIND suivent une tendance étroitement alignée, et reflètent un accord significatif entre les deux méthodes. Dans l’ensemble, le coefficient de force Cf démontre un motif cyclique à mesure que la direction du vent varie, avec des minimums clairs se produisant à environ 90∘ et 270∘, où les forces aérodynamiques sont à leur plus faible. En revanche, les maxima sont évidents autour de 0∘, 150∘, et 210∘, indiquant des orientations dans lesquelles les six structures d'antennes à bords vifs subissent l’impact du vent le plus significatif. La correspondance étroite entre les données expérimentales et simulées confirme que RWIND reproduit efficacement le comportement aérodynamique de l’antenne, maintenant une déviation moyenne d'environ 5%.
Conclusion
Dans l’ensemble, l’étude actuelle valide avec succès la simulation numérique du vent en la comparant avec les données expérimentales pour une structure composée de six antennes à bords vifs. Les résultats démontrent que RWIND reproduit avec précision les résultats expérimentaux sur l’ensemble des directions du vent, indiquant son efficacité à prédire les charges de vent sur des structures géométriquement complexes et élancées. L’intégration des données tracées du coefficient de force, des schémas structurels et de la visualisation du champ d'écoulement CFD offre une présentation complète et cohérente de l'approche de l'étude et de ses résultats clés.
De plus, voici l’exemple de l’Université RWTH qui illustre les modèles d’antenne simple et à trois arrêtes vives :
