Qu’est-ce qu’une soufflerie ?

Un soufflerie climatique est une installation d’essais aérodynamiques permettant d’étudier à différentes échelles les effets d’un écoulement d’air sur un corps. Dans le domaine du bâtiment, la soufflerie est utilisée afin de modéliser les effets du vents et les efforts qu’ils impliquent sur une structure. Pour des questions de ventilation de confort, la soufflerie peut être utilisée pour modéliser le cheminement du vent dans un bâtiment.

Dans une soufflerie, ou « wind tunnel » en anglais, la couche limite dite atmosphérique est aussi modéliser pour reproduire les effets du vents.

Qu’est-ce que le changement d’échelle ?

Dans le cas du bâtiment ou d’ouvrages d’arts, la modélisation à une échelle plus petite est nécessaire pour étudier les différents efforts causés par le vent. D’un point de vue économique et du point de vue pratique, le changement d’échelle permet de travailler sur des maquettes, tout en restant fidèle à la réalité par la conservation des phénomènes physiques étudiés de la grande à la petite échelle.

Comment conserver les phénomènes physiques lors d’un changement d’échelle ?

Pour changer d’échelle, lorsque l’on veut passer de la grande à la petite échelle pour une expérimentation, un travail particulier doit être effectué sur les grandeurs physiques sans dimensions, comme l’intensité de la turbulence, le profil de vitesse du vent suivant la hauteur, ou encore le nombre de Reynolds. Lorsque l’on change d’échelle, la conservation d’un certain phénomène physique, comme le régime de turbulence, peut entrainer une non conservation d’un autre phénomène, comme la thermique.

Prenons le cas par exemple du nombre de Reynolds que nous souhaitons conserver de la petite échelle (_m) à la grande échelle (_r). En posant un facteur d’échelle donné, on obtient :

Avec V une vitesse de référence à une hauteur donnée, H une hauteur, et v la viscosité cinématique. En posant,

avec

le facteur d’échelle, on trouve:

On suppose que la viscosité cinématique est constante. De ce fait, nous pouvons conclure que :

Ainsi le facteur d’échelle doit être élevé à la puissance -1 pour passer d’une vitesse à grande échelle, à la vitesse à la petite échelle afin de conserver le régime de turbulence de la grande à la petite échelle.

Qu’implique la prise en compte du tirage thermique ?

Si l’on souhaite maintenant prendre en compte le tirage thermique dans un bâtiment en plus de la ventilation naturelle engendrée par les forces de vent, l’écoulement deviendra anisotherme. Le nombre de Reynolds, et le nombre de Richardson (Ri ), caractérisant le rapport entre les forces thermiques et les forces inertielles, doivent ainsi être conservés.

une différence de température de 1°C doit être représentée par une température de 1000°C pour conserver le nombre de Richardson

Or, la conservation du nombre de Reynolds seul implique une non-conservation des phénomènes thermique i.e. des effets induits par les forces de flottabilité. Ainsi, le Richardson est défini comme suit :

avec g la constante gravitationnel, H la hauteur, V la vitesse de référence, T la température de l’air chaud et :

T₀ est une température de référence. On peut écrire l’égalité suivante en remplaçant dans l’équation du nombre de Richardson :

ainsi :

soit

Si l’on veut conserver les phénomènes liés aux rapports entre les forces dues au vent est les forces dues au titrage thermique, tout en conservant le régime de turbulence, cela implique que Ri_m / Ri_r =1 donc :

En d’autres termes, en conservant le nombre de Reynolds pour une échelle 1:10, cela implique qu’une différence de température de 1°C doit être représentée par une température de 1000°C pour conserver le nombre de Richardson. Si le nombre de Richardson est conservé, alors le nombre de Reynolds ne pourra pas être respecté. Un choix doit donc être fait par l’expert en ventilation en tenant compte des limites du changement d’échelle pour l’étude des phénomènes aérauliques.

En conclusion

Bien que l’étude en soufflerie soit satisfaisante pour étudier les écoulements de types couches limites ou encore pour étudier les problématiques mettant en jeu des grandes vitesses de vent, cette démonstration montre qu’il est difficile d’étudier et d’appréhender les interactions entre convections naturelle et forcée en soufflerie climatique. De plus, les vitesses minimales de telles installations donnent des vitesses de vent trop élevées pour l’étude d’interaction entre vent et tirage thermique même si seul le critère de Richardson est conservé.

Dans le bâtiments, les interactions entre forces thermiques et forces de vents sont très fréquents, c’est pourquoi il faudra privilégié dans les études de confort thermique et d’efficacité de la ventilation naturelle, une combinaison entre études numériques et études expérimentales pour traduire au mieux la nature des écoulements. L’étude in situ par la pose de station météo est aussi une piste à privilégier pour étudier les vents sur un site donné.

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