Introduction
À mesure que les méthodes de calcul continuent d’évoluer, la mécanique des fluides numérique (CFD) est devenue une alternative ou un complément prometteur aux essais en soufflerie dans le domaine du génie éolien. Cependant, pour que la CFD soit largement acceptée par les ingénieurs, les autorités et les examinateurs, sa fiabilité doit être assurée grâce à des procédures rigoureuses de vérification et d’étalonnage. Cet article décrit les étapes clés et les principes qui sous-tendent ces processus.
Selon l’EN 1991-1-4, 1.5, les simulations numériques peuvent être utilisées en complément des calculs et des essais physiques en soufflerie, tant qu’elles sont prouvées et/ou correctement validées. Cela permet aux ingénieurs d’obtenir des informations fiables sur les charges et les réponses en utilisant des modèles précis tant de la structure que de l’environnement éolien naturel. De même, l’ASCE 7-22, par référence à l’ASCE 49, reconnaît que bien que la CFD soit de plus en plus appliquée en ingénierie éolienne, son utilisation doit être soigneusement contrôlée. Comme il n’existe actuellement aucune norme dédiée aux procédures complètes pour la CFD dans ce contexte, l’ASCE souligne que toute application de la CFD pour déterminer les charges du vent sur le système de résistance aux forces du vent principal (MWFRS), les composants et le bardage (C&C), ou d’autres structures doivent faire l’objet d’une revue par les pairs et d’une étude de vérification et validation (V&V) pour garantir la précision et la fiabilité des résultats.
1. Pourquoi la vérification et l’étalonnage sont requis
Les simulations CFD sont très sensibles à de nombreux facteurs, notamment :
- Modèles de turbulence
- Conditions aux limites d’entrée
- Qualité et résolution de la maille
- Réglages du solveur et schémas numériques
Sans vérification et étalonnage appropriés, les résultats CFD peuvent sembler visuellement convaincants mais peuvent être trompeurs ou imprudents dans des applications structurelles réelles. Aussi bien l’EN 1991-1-4 que l’ASCE 7-22 reconnaissent le potentiel des méthodes numériques, telles que la CFD, pour déterminer les charges du vent, à condition que ces méthodes soient correctement validées et vérifiées.
2. Vérification vs. validation vs. étape d’étalonnage : Définitions
Il est essentiel de distinguer ces termes, souvent utilisés indifféremment :
- La vérification garantit que le modèle CFD résout correctement les équations (c’est-à-dire que le code et la configuration numérique sont exempts d’erreurs).
- La validation évalue si le modèle représente fidèlement le comportement physique du système réel (typiquement par comparaison avec des données de soufflerie ou à grande échelle).
- L’étalonnage implique l’ajustement des paramètres du modèle pour aligner les résultats CFD avec les données connues ou mesurées.
3. Procédure de vérification
La vérification implique de vérifier que :
- Le maillage est suffisamment affiné (étude de sensibilité du maillage)
- Le pas de temps et le schéma numérique sont appropriés
- Les conditions aux limites sont correctement implémentées
- Le solveur converge de manière cohérente
Cela comprend :
- Analyse de l’indice de convergence de la grille (GCI)
- Surveillance des résidus et vérifications de la stabilité en temps moyenné
- Comparaison code-à-code (étalonnage par rapport à des solveurs de confiance)
4. Validation avec les données expérimentales et les normes
L’aspect le plus critique de l’acceptation de la CFD est la validation par rapport aux résultats des essais physiques, tels que :
- Essais en soufflerie
- Suivi à grande échelle sur le terrain (par exemple, relevés de pression, anémomètres)
Les étapes clés incluent :
- Reproduire la configuration de l’essai : La géométrie, la rugosité du terrain et la turbulence d’entrée doivent correspondre à l’expérience.
- Comparer les quantités d’intérêt : Coefficients de pression moyens et maximaux, coefficients de force/moment ou caractéristiques du champ d'écoulement.
- Analyse statistique : Utilisation de l’erreur RMS, des coefficients de corrélation ou des mesures de déviation normalisées comme :
La validation doit être spécifique à la structure, en particulier pour les géométries typiques et inhabituelles telles que :
- Exemples d’antennes en collaboration avec l’université RWTH Aachen
- Sur la base des formes typiques définies dans les normes de calcul (EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7, NBC 2020) et les études expérimentales (TPU, AIJ)
5. Stratégie d’étalonnage
Si des écarts mineurs existent après validation, vous pouvez procéder à un étalonnage en ajustant les valeurs suivantes :
- Intensité de la turbulence en entrée et échelles de longueur
- Constantes du modèle de turbulence (avec précaution)
- Rugosité de surface et fonctions de paroi
Cependant, le sur-étalonnage doit être évité, car cela peut conduire à un modèle adapté à un seul cas mais peu fiable pour les autres.
6. Documentation et traçabilité
Pour que les résultats CFD soient acceptés par les autorités de construction ou les ingénieurs certificateurs, le processus doit être :
- Transparent : Tous les paramètres d’entrée, les réglages du solveur et les hypothèses doivent être documentés
- Reproductible : D’autres experts doivent être capables de reproduire les résultats
- Traçable : Les cas de validation doivent être liés à des références de critères publiés ou expérimentales
7. Intégration dans le flux de travail de calcul de structure
Enfin, pour que la CFD soit acceptée dans la détermination des charges structurelles :
- Les sorties CFD (par exemple, distributions de pression) doivent être transférées vers un logiciel MEF (par exemple, RFEM)
- Les combinaisons de charges doivent suivre les combinaisons LRFD ou EN
- Les données de pression doivent représenter des actions du vent statistiquement valides (par exemple, période de retour de 50 ans)
Conclusion
La CFD offre un grand potentiel pour l'avenir de l'ingénierie éolienne, offrant des visions rentables, flexibles et détaillées du comportement aérodynamique. Cependant, son acceptation dépend entièrement d'une vérification rigoureuse, d’une validation robuste et d’un étalonnage soigneux. Lorsqu’elles sont effectuées systématiquement, la CFD peut devenir un composant fiable d’une approche par analyse, soutenue par les normes et les bonnes pratiques d’ingénierie.