Résumé:
Dans le domaine de l’ingénierie du vent, les dispositifs les plus couramment utilisés pour générer des écoulements de Couche Limite Atmosphérique (CLA) en soufflerie consistent en l’association de rugosités de paroi avec un alignement de « spires » (flèches) en amont. La conception de ce type de dispositif passe par des phases expérimentales d’essai-erreur longues et coûteuses, à réaliser pour chaque nouvelle configuration. Un nouveau type de dispositifs de grilles passives – des Grilles Multi-échelles Inhomogènes (MIG)— est introduit pour tenter de maîtriser à la fois les profils de vitesse moyenne et d’intensité turbulente en soufflerie en s’affranchissant des étapes d’essai-erreur dans la conception.
Un algorithme de conception de ces grilles MIG est validé expérimentalement par Hot-Wire Anemometry (HWA) pour générer des profils de vitesse moyenne représentatifs de tout ou partie d’une CLA neutre en soufflerie. De plus, le déclin d’intensité turbulente mesurés en aval de différents niveaux de grilles MIG montre un « collapse » une fois normalisés par un modèle d’interaction de sillages issues d’études précédentes sur la turbulence de grilles sans cisaillement moyen. Pour les grilles MIG où le cisaillement moyen n’est pas négligeable, une influence de ce paramètre subsiste en aval malgré la normalisation de la turbulence, ce qui justifie le développement au cours de ce travail d’un modèle basé sur des simplifications de l’équation sur l’énergie cinétique turbulente pour prendre en compte cette influence. Ce modèle est complété par des modèles empiriques des contraintes de Reynolds et des longueurs intégrales, mais il requerra par la suite une modélisation empirique du taux de dissipation turbulente pour être refermé et fournir des prédictions a priori.
Enfin, ce travail montre que les « spires » peuvent être conceptuellement conçus et étudiés comme des grilles MIG « continues », dont les profils de champs moyens générés en aval suivent le même modèle que pour les grilles MIG discrètes. Pour autant, on montre que cette proximité conceptuelle ne s’étend pas à la turbulence générée, qui ne « collapse » pas sur la même courbe que pour les grilles MIG discrètes une fois normalisée par le modèle d’interaction de sillages, indiquant ainsi un autre mécanisme à l’oeuvre. Des mesures par Stereo Particle Image Velocimetry (S-PIV) révèlent la présence d’une couche de cisaillement intense, issue de la région de proche sillage autour des « spires », qui pourrait expliquer la différence de régime de turbulence observée en aval. De plus, des structures complexes de vorticité moyenne longitudinale sont observées, étonnamment autant en aval des grilles MIG discrètes que des « spires ». Ceci suggère la nécessité d’orienter les futurs efforts de modélisation vers les sillages proches, afin de prendre en compte la complexité qui y est générée et ainsi améliorer la conception des « spires » et des grilles MIG discrètes pour générer une couche limite atmosphérique en soufflerie.