Wind tunnel simulations of turbulent shear flows representative of atmospheric boundary layer by the use of upstream passive devices

Génération en soufflerie d'écoulements cisaillés représentatifs des écoulements environnementaux de couches limites atmosphériques par des dispositifs passifs Dans le domaine de l'ingénierie du vent, les dispositifs les plus couramment utilisés à la fois en milieux académiques et industriels pour générer des écoulements de couches limites atmosphériques en soufflerie consistent à associer des rugosités de paroi à un alignement de «spires» (flèches) en amont. Si des modèles permettent effectivement de concevoir a priori ce type de dispositifs passifs pour généré un champs moyen donné, le contrôle du profil d’intensité turbulente nécessite un processus d’ajustements par essai-erreur long et coûteux à réitérer chaque nouvelle configuration souhaitée.En parallèle, des études récentes sur les écoulements turbulents en aval de grilles régulières et fractales ont établis qu’un modèle d’interaction de sillages permet de prédire l’intensité turbulente générée, dans des configurations sans cisaillement moyen. L’extension de ces lois d’échelles à des écoulements cisaillés non-uniformes rendrait possible un contrôle indépendant des profils de vitesse moyenne et d’intensité turbulente dès la phase de conception, contrairement aux dispositifs de « spires » actuels. Pour étudier expérimentalement cette possibilité, notre travail s’intéresse à des grilles passives d'un type particulier –des Grilles Multi-échelles Inhomogènes (MIG) – qui permettent l’ajustement local des paramètres du modèle d’interaction de sillages en fonction de l’altitude, tout en maitrisant le champs moyen généré. Ils se trouvent que les dispositifs de « spires » peuvent conceptuellement être assimilés à un cas particulier de grilles MIG « continues ».Dans un premier temps, un algorithme de conception de grilles MIG est développé pour générer un champs moyen donné, première étape avant une tentative de contrôle de la turbulence. Cet algorithme est validé expérimentalement par la conception de grilles MIG et de « spires » dédiés à la génération d’écoulements moyens représentatifs de tout ou partie d’une couche limite atmosphérique neutre. En particulier, ces études préliminaires révèlent l’existence d’un régime d’écoulement défavorable à l’établissement du champs moyen souhaité pour certaines configurations, ce qui amène à suggérer un ensemble de critères sur les paramètres géométriques locaux de grille pour les éviter.En outre, les résultats montrent que le modèle d’interaction de sillages établi initialement en écoulement uniforme permet effectivement un bon « collapse » des mesures d’intensité turbulente en aval de chaque niveau horizontal de grille MIG discrètes, même en présence d’un cisaillement moyen. Pour autant, une variabilité non-négligeable subsiste en fonction de l’intensité de ce cisaillement. Par ailleurs, même si un « collapse » des mesures en aval de « spires » est également observé sur une gamme étendue d’altitudes, la courbe résultant de cette mise à l’échelle ne coïncide pas avec celle obtenue en aval de grilles MIG discrètes.Afin de tenter d’expliquer à la fois l’influence du cisaillement moyen sur le déclin de turbulence et la différence de régime observée entre grilles MIG discrètes et spires, un modèle est développé à partir d’hypothèses simplificatrices sur l’équation sur l’énergie cinétique turbulente. Ce modèle est complété par des modèles empiriques décrivant l’évolution des contraintes de Reynolds et celle des longueurs intégrales. Un modèle similaire pour le taux de dissipation turbulente reste à établir.L’analyse des différentes hypothèses utilisées pour établir notre modèle de turbulence révèlent des variations de cisaillements et de vorticité longitudinale qui sont inattendues à la fois en termes de complexité et de persistance en aval des dispositifs générateurs. Les structures d’écoulement mises au jour sont considérées comme la cause principale des différences observées entre spires et grilles MIG discrètes. Notre travail indique ainsi la nécessité d’orienter l’effort de modélisation vers les écoulements de « sillage proche », directement autour des dispositifs passifs étudiés