Transports URBains par Câble. Confort, performance et sécurité en écoulement turbulent (TURB-Câb) – TURB-Cab

Le premier objectif du projet est de fournir une connaissance fondamentale détaillée des phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS) entre un système pendulaire et un environnement turbulent représentatif du vent « urbain ». Cette connaissance passe par l’identification du rôle joué (i) par la géométrie complexe de la cabine (rapport d’aspect, arêtes vives ou arrondies, etc.) et (ii) par les conditions de vent incident (intensité de la turbulence, échelles turbulentes, variabilité spatiale et temporelle, etc.) sur la dynamique pendulaire et sur les mécanismes de départ d’instabilité. L’exploration scientifique de ce domaine est très ouverte car très peu de travaux ont été dédiés aux IFS pour des corps épais en balancement et, aux échelles considérées, une aérodynamique hors équilibre à grands nombre de Reynolds. Des progrès sont attendus dans la compréhension via la mise en place d’expérimentations fines, le développement de la simulation numérique intensive et de la modélisation d’ordre réduit. De plus, les travaux proposés sont porteurs d’améliorations concrètes en termes de performance et de confort des lignes.

Sur la base des analyses physiques menées durant la première phase du projet, le second objectif est de mettre en place une méthodologie générale utilisable au niveau industriel pour quantifier la stabilité des cabines de TPC en fonction de leurs caractéristiques et de celles du milieu urbain dans lequel elles évoluent. La méthodologie combinera approches expérimentales en soufflerie, calcul haute-fidélité et modélisation physique/réduite du problème, afin d’offrir une démarche à échelle réduite robuste. Enfin, le troisième objectif est de fournir et tester des stratégies pertinentes pour le contrôle aérodynamique de ces oscillations impliquant des approches passives ou actives.

Les travaux de recherche seront structurés par 5 tâches en forte interaction. Un facteur clé pour le succès de TURB-Cab est la combinaison des compétences respectives des partenaires dans un travail de recherche très complémentaire. Les partenaires industriels, le STRMTG et le CSTB ont une connaissance approfondie des propriétés mécaniques des téléphériques et des enjeux environnementaux en milieu urbain. Les partenaires académiques sont des experts dans les domaines de la mécanique des fluides, de l'aérodynamique à grand nombre de Reynolds et de la turbulence utilisant des expériences en soufflerie, la mécanique des fluides numérique haute-fidélité ou la modélisation d'ordre réduit.

Les laboratoires ont mis en évidence les principaux mécanismes responsables de l'amplification et de la saturation des oscillations des cabines en travaillant sur des formes simplifiées. Toutes les souffleries du projet ont été mises en œuvre avec des modèles dédiés et complémentaires, (1) la soufflerie académique du LPENSL, de taille de veine 0.5X0.5m2 avec une génération de turbulence contrôlée, (2) la soufflerie basse turbulence S120 de l'ISAE-ENSMA de veine octogonale de surface 1m2, (3) la soufflerie S620 de l'ISAE-ENSMA, de taille de veine 2.4X2.6 m2, (4) la soufflerie Jules Verne du CSTB de taille de veine 6X5 m2. Les simulations numériques instationnaires sont actuellement menées par le LHEEA en mouvement forcé pour bien analyser les phases de séparation/ré attachement de l'écoulement extérieur sur les objets. Ces phases sont responsables des effets aérodynamiques instationnaires qui influencent très fortement les oscillations pendulaires.

Poursuite des analyses en cours en associant expérimentation et numérique. Les collègues travaillent sur la modélisation réduite des interactions dans un but de prédiction a priori de situations dangereuses. Des situations de turbulence extérieure vont être maintenant étudiées et analysées. Les installations ont été dimensionnées à cet effet.

Les industriels et le CSTB planifient actuellement des essais sur site dans le cadre du projet TurbCab. Ces essais en situation réelle viendront compléter les bases d’analyse et enrichiront à terme la compréhension.

Le projet aborde l’enjeu du confort et des performances des systèmes de Transports par Câble (TPC) en milieu urbain. Ces systèmes font actuellement l’objet de nombreux projets d’implantation avec deux principaux avantages : (i) un ratio entre coût d’implémentation-exploitation et capacité de transport parmi les plus faibles, (ii) une empreinte carbone et nuisance minimale. Une cabine transportant des passagers est un système mécanique suspendu en déplacement avec plusieurs degrés de liberté (balancement pendulaire), soumis aux efforts du vent environnant. Le développement du TPC en milieu urbain induit de nouvelles contraintes. En effet, les spécificités de ces environnements urbains sont les forts taux de turbulence rencontrés et les effets de masquage par les bâtiments pouvant induire de fortes rafales de vent. Les couplages aérodynamiques entre la cabine et les écoulements environnants peuvent entraîner de fortes oscillations et des instabilités, à la fois source d'inconfort et de potentiels problèmes de sécurité. Notre projet vise à dévoiler les mécanismes fondamentaux à l'origine de ces effets (via des expériences en laboratoire et des simulations), afin de proposer des modèles prédictifs précis et des stratégies opérationnelles pertinentes pour les partenaires industriels pour concevoir les cabines du futur répondant aux exigences de confort et de sécurité.
Le premier objectif du projet est donc de fournir une connaissance fondamentale détaillée des phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS) entre un système pendulaire et un environnement turbulent représentatif du vent « urbain ». Cette connaissance passe par l’identification du rôle joué (i) par la géométrie complexe de la cabine (rapport d’aspect, arêtes vives ou arrondies, etc.) et (ii) par les conditions de vent incident (intensité de la turbulence, échelles turbulentes, variabilité spatiale et temporelle, etc.) sur la dynamique pendulaire et sur les mécanismes de départ d’instabilité. L’exploration scientifique de ce domaine est très ouverte car très peu de travaux ont été dédiés aux IFS pour des corps épais en balancement et, aux échelles considérées, une aérodynamique hors équilibre à grands nombre de Reynolds. Des progrès sont attendus dans la compréhension via la mise en place d’expérimentations fines, le développement de la simulation numérique intensive et de la modélisation d’ordre réduit. De plus, les travaux proposés sont porteurs d’améliorations concrètes en termes de performance et de confort des lignes.
Sur la base des analyses physiques menées durant la première phase du projet, le second objectif est de mettre en place une méthodologie générale utilisable au niveau industriel pour quantifier la stabilité des cabines de TPC en fonction de leurs caractéristiques et de celles du milieu urbain dans lequel elles évoluent. La méthodologie combinera approches expérimentales en soufflerie, calcul haute-fidélité et modélisation physique/réduite du problème, afin d’offrir une démarche à échelle réduite robuste. Enfin, le troisième objectif est de fournir et tester des stratégies pertinentes pour le contrôle aérodynamique de ces oscillations impliquant des approches passives ou actives.
La durée prévue pour le projet est de 48 mois. Les travaux de recherche seront structurés par 5 tâches en forte interaction. Un facteur clé pour le succès de TURB-Cab est la combinaison des compétences respectives des partenaires dans un travail de recherche très complémentaire. Les partenaires industriels, le STRMTG et le CSTB ont une connaissance approfondie des propriétés mécaniques des téléphériques et des enjeux environnementaux en milieu urbain. Les partenaires académiques sont des experts dans les domaines de la mécanique des fluides, de l'aérodynamique à grand nombre de Reynolds et de la turbulence utilisant des expériences en soufflerie, la mécanique des fluides numérique haute-fidélité ou la modélisation d'ordre réduit.