Application de l’approche de simulation des grandes échelles à l’évaluation des charges de vent sur les structures

Large eddy simulation for the estimation of wind loads on structures

• Auteur / Autrice : Risheng Sheng
• Direction : Isabelle Calmet, Laurent Perret, François Demouge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 26/10/2017
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Christian Inard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Calmet, Laurent Perret, François Demouge, Christian Inard, Richard Perkins, Sylvain Dupont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Perkins, Sylvain Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Modélisation des données du bâtiment

Pression du vent

Couche limite

Mots clés libres

Couche limite atmosphérique

Charge de vent

Grand bâtiment

Modélisation en soufflerie

Turbulence

Simulation des grandes échelles

Générateur de conditions amont

Atmospheric boundary layer

Wind load

High-rise building

Wind tunnel modelling

Turbulence

Large eddy simulation

Inflow generator

Résumé

Des bâtiments de grande hauteur sont construits avec un poids et un amortissement structurel de plus en plus faibles en lien avec l'évolution des techniques de construction et des matériaux. La connaissance des charges de vent dynamiques est un enjeu important pour la conception des grands bâtiments afin de garantir leur sécurité structurelle. L'objectif de cette thèse est d’évaluer la capacité de la simulation numérique des grandes échelles (LES) à prédire les charges de vent sur les structures et d’étudier l'influence des conditions d’entrée d’une simulation LES sur ces charges. Des expériences ont été menées à échelle réduite dans la soufflerie atmosphérique NSA du CSTB afin de documenter l’écoulement atmosphérique modélisé, de caractériser son interaction avec un bâtiment et les charges de vent statiques et dynamiques résultantes. Le sillage du bâtiment a été caractérisé grâce à des mesures PIV. Les efforts globaux et les pressions locales ont été mesurés par une balance et des prises de pression à haute fréquence. Ces expériences en soufflerie ont permis de développer un générateur de conditions amont (GCA) pour la simulation LES, visant à reproduire les principales caractéristiques de la turbulence dans la couche limite. La base de données constituée a également permis de qualifier les résultats des simulations LES réalisées avec le code OpenFOAM dans la configuration de l’expérience. L’utilisation du nouveau GCA et d’un générateur dégradé qui ne respecte pas toutes les caractéristiques de l'écoulement a permis de montrer la nécessité de bien reproduire les caractéristiques du vent incident pour accéder aux charges dynamiques sur le bâtiment.

High-rise buildings are built with increasingly low weight and structural damping in relation to the evolution of construction techniques and materials. The understanding of dynamic wind loads is an important issue for the design of high-rise buildings in order to guarantee their structural safety. The objective of the present work is to assess the ability of large eddy simulation (LES) to predict wind loads on structures and to investigate the influence of the inflow boundary conditions of a LES simulation on these loads. Experiments were carried out at a small scale in the NSA atmospheric wind tunnel of CSTB to document the modeled atmospheric boundary layer, to characterize its interaction with a building and the resulting static and dynamic wind loads. The wake flow around the building has been characterized by PIV measurements. Global and local wind loads were measured by a high frequency force balance and high frequency pressure taps. These wind tunnel experiments allowed for the development of an inflow turbulence generator for the LES simulation,which was aimed at reproducing the main characteristics of turbulence in the boundary layer. The database also made it possible to assess the quality of the results of the LES simulations carried out with the OpenFOAM code in the same configuration as the experiment. The use of both the new turbulence generator and a degraded one that does not account for all the characteristics of the flow has made it possible to show the necessity to reproduce the characteristics of the upstream wind flow in order to access the dynamic wind loads on the building.