Atmospheric turbulent flows modelling in order to study aerodynamic effects induced by the wind on civil engineering structures

Modélisation de la turbulence atmosphérique en vue de l'étude du chargement aérodynamique des structures soumises aux effets du vent

Grégory Turbelin (1)

1 LMEE - Laboratoire de Mécanique et d'Energétique d'Evry

The aim of this thesis is to compute atmospheric turbulent flows in order to study aerodynamic effects induced by the wind on civil engineering structures. A two-dimensional analysis has been carried out to provide a description of the phenomena involved when the wind acts on a bluff body elongated in the across wind direction. In the discussion, the wind has been assumed as an incompressible turbulent flow governed, in the atmospheric boundary layer, by the Navier-Stokes equations. The turbulent stresses have been determined by a first order turbulence model. The key parameters that have been taken into accounts are the surface roughness, the topogaphy, the obstructions and/or the development of large-scale organised vortices. The computational procedure has been performed with a finite-element software, CASTEM 2000, in which some uncommon methodology, like wall-functions based upon roughness length concept, have been incorporated. Validation tests have been performed for well-known pratical cases. The results show that the standard k-epsilon turbulence model is unable to simulate unsteady flows over changing terrains, with organised vortices. The more sophisticated RNG k-epsilon model appears to be more adapted to this kind of complex flows. Therefore, the latter model has been used to improve analytic formulations of buffeting forces. The existing quasi-steady formulation, commonly used in buffeting analysis, shows its limitations in the case of bluff bodies gust entry. A new approach is suggested which includes, through modified admittance functions, the turbulence induced by the structure itself. It has been found that the shape of these functions depends on both the creation of separation bubbles and the formation of vortices in the wake of the body.

L’objectif de notre travail de thèse est de modéliser numériquement la turbulence atmosphérique afin d’étudier l’action aérodynamique du vent sur les ouvrages de génie civil. L’analyse développée est bidimensionnelle et doit permettre, en vue d’une ´etude vibratoire, d’identifier les principaux mécanismes qui interviennent lorsque le vent aborde transversalement une structure élancée, non profilée. L’approche consiste à assimiler le vent à un écoulement de fluide incompressible régi, dans la couche limite atmosphérique, par les équations de Navier-Stokes et à représenter la turbulence à l’aide d’un modèle du premier ordre. Les principaux paramètres pris en compte sont la rugosité des sols, la topographie, la présence d’obstacles et/ou le développement de grosses structures tourbillonnaires. Le problème est traité avec le code de calcul par éléments finis CASTEM 2000, dans lequel des procédures spécifiques, telles des fonctions de paroi basées sur la notion de longueur de rugosité, ont été implantées. Des calculs de validation, portant sur des cas tests significatifs, montrent que le modèle k-epsilon standard est incapable de modéliser des écoulements instationnaires sur des sites non homogènes, en présence de tourbillons organisés, alors que le modèle RNG k-epsilon, plus élaboré, est adapté à ce type d’écoulements complexes. Ce dernier modèle est donc utilisé pour étudier les phénomènes rencontrés lorsqu’une rafale aborde une structure élancée. Pour des sections non profilées, les limitations de l’approche quasi-statique, généralement utilisée pour représenter les efforts aérodynamiques exercés par le vent turbulent, sont mis en évidence. Dans ce cas, on suggère que les effets de la turbulence, générée par la structure elle-même, doivent être pris en compte au travers de fonctions d’admittance modifiées. On montre que la forme de ces fonctions dépend explicitement de la création de poches de décollement et de la présence de grosses structures tourbillonnaires dans le sillage de l’obstacle.

Keywords: Wind action on structure; Atmospheric boundary layer; Atmospheric turbulence; Turbulence models; RNG k-epsilon; Finite element method

Keywords: Action du vent sur les structures; Couche limite atmosphérique; Turbulence atmosphérique; Modèles de turbulence; RNG k-epsilon; Méthode des éléments finis

Domains: Fluid mechanics [physics.class-ph]; Structural mechanics [physics.class-ph]; Structures

Grégory Turbelin. Modélisation de la turbulence atmosphérique en vue de l'étude du chargement aérodynamique des structures soumises aux effets du vent. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université d'Evry Val d'Essonne, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02359884⟩