Tour Liberté – La Défense
Étude CFD de l'impact d'un futur bâtiment sur le confort au vent dans un quartier de la Défense
Eolios Ingénierie a réalisé une étude aéraulique autour d’un bâtiment en projet à Courbevoie, proche du quartier de la Défense. Ce projet a été mené dans le cadre de l’implémentation de système éolien pour la production électrique du bâtiment. Le but de ce projet est d’étudier, dès la conception, l’impact aéraulique d’un nouveau bâtiment sur son environnement et sur le confort des citoyens afin de l’optimiser et de limiter son impact aéraulique.
La morphologie des bâtiments a un impact direct sur les caractéristiques de l’écoulement et donc sur le confort au vent des piétons. La zone d’étude présentant une forte concentration de bâtiment au m², il est essentiel de les prendre en compte dans cette étude afin de comprendre les phénomènes aérauliques induit par la géométrie particulière du bâtiment.
Tour Liberté - La Défense
Année
2024
Client
NC
Localisation
France
Typologie
Air & Vent
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Confort au vent : un enjeu majeur en milieu urbain
Étude CDF du confort au vent en milieu urbain
Le confort au vent se rapporte à la sensation de bien-être des personnes lorsqu’elles sont exposées à des conditions venteuses. Il s’agit de trouver un juste équilibre entre une ventilation naturelle efficace et des vitesses de vent contrôlées, créant ainsi un environnement extérieur agréable et sécurisé. L’étude du confort au vent est donc essentielle pour analyser la vitesse, la direction du vent et l’influence des bâtiments environnants sur le flux d’air. Ces éléments nous aident à concevoir des espaces extérieurs (ou intérieurs) adaptés aux besoins des occupants.
Cette analyse est cruciale dans les zones urbaines denses, notamment dans des quartiers comme La Défense à Courbevoie. Dans ces environnements, les structures bâties ont un impact direct sur le flux d’air, et donc sur le confort des personnes qui y circulent. C’est pourquoi nous réalisons une étude approfondie du confort au vent pour chaque projet. Grâce à des simulations CFD (dynamique des fluides numérique), nous analysons le comportement du vent sur le futur site afin d’optimiser les espaces et garantir le bien-être des usagers.
L'effet de la rugosité et de l'effet Venturi dans l'étude du confort au vent d'un projet en CFD
Dans le cadre des études numériques de confort au vent, il est crucial de définir avec précision les conditions aux limites, en intégrant de nombreux éléments. La modélisation 3D doit impérativement prendre en compte les bâtiments environnants, car ceux-ci ont un impact direct sur la dynamique du vent. En effet, la présence et la disposition des structures urbaines influencent les écoulements d’air, créant des zones de turbulence, de protection ou d’accélération du vent. Ignorer ces éléments peut conduire à des simulations inexactes, éloignées des conditions réelles. De plus, l’intégration des vraies données météorologiques locales, telles que les variations saisonnières et les régimes de vent dominants, est essentielle pour obtenir des résultats fiables et représentatifs. Cette précision dans la définition des paramètres permet de reproduire fidèlement les interactions complexes entre le vent et l’environnement urbain, garantissant des études de confort au vent plus réalistes et pertinentes.
Pour réaliser correctement un projet d’étude du vent et donc appliquer les bonnes conditions aux limites, il faut comprendre quel est le profil de vitesse du vent près du sol. Le vent peut être décrit par la notion de couche limite atmosphérique, qui est divisée en trois sous-couches. La couche extérieure, ou sous-couche inertielle, est d’une épaisseur de l’ordre du kilomètre. En-dessous, se trouve la couche limite de surface, d’une épaisseur de 10 à 100 mètres, où se produit un gradient important de vitesse du vent et de température. Enfin, la sous-couche rugueuse, d’une épaisseur de quelques mètres, est affectée par les obstacles de surface.
Au sol, le vent est ralenti en raison de la rugosité du sol et des obstacles présents. Au-dessus de cette couche rugueuse, dans les couches d’air non perturbées du vent géostrophique, le vent n’est plus influencé par l’état de la surface terrestre. Entre ces deux couches, la vitesse du vent change avec l’altitude du sol selon un profil logarithmique, c’est ce qu’on appelle le cisaillement vertical du vent.
Au sol, le vent est ralenti en raison de la rugosité du sol et des obstacles présents. Au-dessus de cette couche rugueuse, dans les couches d’air non perturbées du vent géostrophique, le vent n’est plus influencé par l’état de la surface terrestre. Entre ces deux couches, la vitesse du vent change avec l’altitude du sol selon un profil logarithmique, c’est ce qu’on appelle le cisaillement vertical du vent.
De plus, dans les zones fortement urbanisées où les bâtiments sont fortement concentrés, l’effet Venturi peut également jouer un rôle important. Il se produit lorsque la présence de bâtiments réduit la section de passage du vent, ce qui accélère son écoulement. Ces zones à vitesses plus élevées sont donc à prendre en considération lors de l’étude du confort et de la sécurité des usagers.
L’étude des vents joue un rôle crucial dans la sécurité des installations et des structures. Comprendre les caractéristiques du vent, telles que sa vitesse, sa direction et son impact sur les obstacles environnants, permet d’évaluer les risques potentiels liés aux conditions venteuses. En identifiant les zones exposées à des vitesses de vent élevées, il est possible de mettre en place les mesures de sécurité appropriées pour protéger les personnes et les biens.
De plus, l’étude des vents permet de concevoir des structures résistantes aux charges éoliennes, réduisant ainsi les risques d’endommagement ou de défaillance. En intégrant une analyse approfondie des vents dès les phases de conception, on garantit la sécurité des occupants et on établit des normes de construction adaptées aux conditions environnementales spécifiques, fournissant ainsi une base solide pour la durabilité et la résilience des installations.
Simulation CFD du vent autour d'un projet de bâtiment à la Défense
Etude climatique
Pour toute simulation de mécanique des fluides numérique (CFD, Computational Fluid Dynamics) appliquée à un projet architectural ou d’aménagement, il est crucial d’étudier et de comprendre le climat du site. Une telle étude météorologique permet de prendre en compte les conditions environnementales réelles, qui influenceront fortement la conception et les performances des bâtiments, en particulier en ce qui concerne le confort des usagers et l’efficacité énergétique.
Dans cet exemple précis, une étude météorologique a révélé l’existence de vents dominants venant du Nord-Ouest et du Sud-Ouest avec une vitesse constante estimée à 5 m/s (soit environ 18 km/h). Cette information n’est pas simplement une donnée technique : elle a des implications majeures sur le comportement du vent autour des bâtiments et sur la manière dont la CFD sera utilisée pour simuler ces flux d’air.
Modèle 3D
Eolios Ingénierie a réalisé une modélisation des écoulements de vent dans le voisinage du projet à l’aide d’un modèle numérique de CFD (Computational Fluid Dynamics) ou Dynamique des Fluides Numérique. Ce modèle a permis de résoudre les équations de base de la dynamique des fluides et d’obtenir une simulation précise des écoulements d’air, permettant ainsi l’étude du confort au vent.
Résultats de simulation
Tout au long du processus de conception, en fonction des contraintes de la parcelle, l’équipe s’est concentrée sur des méthodes permettant d’atténuer les effets du vent sur les espaces, en les rendant plus confortables pour les occupantset piétons.
En collaboration étroite avec les architectes, la réflexion s’est faite d’une part en prenant en compte l’architecture pure des bâtiments et d’autre part en étudiant la possibilité d’ajouter des éléments architecturaux comme des zones passerelles, des auvents, des balcons et également des jardins avec une végétation persistante.
Au pied du bâtiment, toutes les vitesses de l’air sont inférieures à 2 m/s, tandis qu’à mi-hauteur, seules quelques terrasses atteignent des vitesses supérieures à 2 m/s.
Il est crucial de ne pas avoir des vitesses d’air trop élevées au niveau des terrasses pour garantir un confort optimal. Les vitesses de vent élevées peuvent rendre les espaces extérieurs désagréables et même inconfortables pour les occupants. Sur les terrasses, où les gens passent du temps à se détendre ou à socialiser, des vents forts peuvent provoquer des sensations de froid intense, de bruit et des difficultés pour maintenir des objets en place. En minimisant les vitesses de vent sur ces surfaces, on améliore non seulement le confort thermique des usagers, mais aussi leur expérience globale de l’espace extérieur. Par conséquent, une attention particulière doit être portée à la conception des bâtiments pour réduire les vitesses de vent sur les terrasses, en utilisant des formes architecturales adaptées et des éléments de design comme des auvents et des barrières de vent, ou encore de la végétation, afin d’assurer un environnement extérieur agréable et fonctionnel.
De plus, le bâtiment le plus imposant en entrée de cour à l’Est augmente l’effet de masque généré, qui tend à rabattre le vent vers le sol. Le vent majoritaire étant un vent dominant d’origine Sud-Ouest, la réponse architecturale a été de rendre le bâtiment le plus aérodynamique possible pour ne pas générer d’inconfort et de danger. La nouvelle forme du bâtiment avec les toits-terrasses en escalier améliore l’aérodynamisme du bâtiment, diminuant les vitesses d’air et améliorant le confort piétonnier.
Eolios Ingénierie a proposé des solutions spécifiques pour améliorer le confort au vent des usagers dans le cadre du projet de construction de nouveaux bâtiments. En participant au processus de conception itératif, les ingénieurs d’Eolios ont été capables de prévoir un grand nombre de scénarios et, par conséquent, de maîtriser tous les imprévus liés à une mauvaise conception.
Effectivement, dans le cadre de création de nouveaux bâtiments, de rénovation ou de nouveaux agencements, la modélisation multiphysique permet de prendre en compte la totalité des phénomènes à l’origine des flux thermo-aérauliques et permet ainsi d’appréhender le comportement du vent à un stade précoce. Il s’agit de combiner des données météorologiques statistiques, des informations aérodynamiques et des critères de confort et de sécurité au vent afin d’anticiper tout problème dès le début du processus de conception.
Synthèse vidéo de l'étude
Résumé de l'étude
L’étude réalisée porte sur le placement optimal des aérations afin d’améliorer le confort thermique de l’usine d’Aluminium Dunkerque qui utilise un système de refroidissement par ventilation naturelle. L’objectif est de déterminer si le système d’aération actuel est suffisant pour l’ajout d’un 8ème four et, le cas échéant, de proposer des solutions.
Différentes mesures préliminaires ont été réalisées, telles que des tests fumigènes pour observer les mouvements d’air, des mesures de températures et des images thermiques pour identifier les sources de chaleur. Ces données ont été utilisées pour créer un modèle 3D de l’usine dans lequel des simulations numériques CFD ont été effectuées.
Les simulations CFD permettent d’étudier les écoulements de fluides et de simuler les conditions aérauliques et thermiques de l’usine. Les résultats ont montré que l’ajout de certains aérateurs permettrait une évacuation plus rapide et ciblée de l’air chaud, améliorant ainsi le fonctionnement aéraulique du site.
En conclusion, cette étude a permis de déterminer le placement optimal des aérations pour améliorer le confort thermique de l’usine d’Aluminium Dunkerque en vue de l’ajout d’un 8ème four. Les résultats des simulations CFD ont apporté des recommandations précises pour optimiser l’efficacité énergétique et le bien-être des opérateurs de l’usine.
