Sauver les chemins de fer du sable

Sauver les chemins de fer du sable

Le sable emporté par le vent peut ensevelir l’infrastructure ferroviaire et potentiellement faire dérailler les trains. Crédit : Hp.Baumeler, sous licence CC BY-SA 4.0

Dans les régions désertiques et les zones côtières sablonneuses, le sable emporté par le vent peut ensevelir des infrastructures telles que les voies ferrées et causer des problèmes tels que le déraillement des trains, le meulage des rails ou des roues et l’usure des revêtements sur le nez des locomotives à grande vitesse.  . .                                                                                                                                                                                                                      . Mais savoir comment protéger au mieux les voies et les trains du sable est délicat car il n’y avait aucun moyen fiable de prédire comment le sable se comportera, jusqu’à présent.

Le danger le plus grave lié au sable emporté par le vent est le déraillement des trains, de sorte que les trains circulent généralement à une vitesse réduite les jours de vent par mesure de précaution. « Moins de trains passent par heure », a déclaré le Dr Lorenzo Raffaele, ingénieur éolien à l’Institut von Karman pour la dynamique des fluides à Sint-Genesius-Rode, en Belgique. « Cela provoque une perte de capacité pour le chemin de fer, ce qui implique une perte d’argent. »

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour protéger les infrastructures du sable emporté par le vent. Des structures telles que des barrières ou des fossés peuvent être installées pour piéger le sable. Sur les chemins de fer, il peut être utile de surélever les rails, là où l’espace en dessous peut accélérer le vent et dégager le sable. Cependant, les mesures ne sont généralement pas aussi efficaces qu’elles pourraient l’être. C’est en partie parce qu’ils sont encore largement conçus par essais et erreurs, où une solution est choisie en fonction de l’intuition et testée sur le terrain une fois la voie ferrée construite, ce qui est coûteux et peut prendre beaucoup de temps.

« Une approche plus rigoureuse est nécessaire afin d’éviter les problèmes (tels que les retards de construction) », a déclaré le Dr Luca Bruno, professeur agrégé d’ingénierie structurelle au Politecnico di Torino en Italie.

Simulation

Bien qu’il existe actuellement des moyens d’évaluer la performance des mesures d’atténuation du sable, ils ne répondent souvent pas aux besoins des concepteurs d’infrastructures. Les simulations informatiques existantes, par exemple, ne modélisent généralement que les modèles d’écoulement du vent sans incorporer le comportement du sable lui-même et les modèles plus avancés en sont encore à leurs balbutiements. Ils ne peuvent donc donner qu’une estimation approximative de l’efficacité d’une mesure.

Des essais en soufflerie peuvent également être réalisés pour reproduire le comportement du sable soufflé par le vent. Cependant, seules quelques installations dans le monde permettent des expériences avec du sable car il se répand partout et peut endommager les équipements. De plus, les grains de sable devraient être réduits en taille dans les expériences puisque les modèles de mesures proposées sont réduits, ce qui n’est pas possible car il deviendrait de la poussière, qui se comporterait complètement différemment. Il est donc difficile d’extrapoler à partir des résultats pour déterminer comment ils fonctionneraient à pleine échelle. « C’est une grande limitation des tests en soufflerie », a déclaré le Dr Raffaele.

Le Dr Bruno et ses collègues visent donc à proposer de nouvelles techniques pour évaluer les risques liés au sable, tout en concevant de nouvelles mesures d’atténuation du sable et de nouvelles façons d’évaluer leurs performances, dans le cadre du projet SMaRT. Ils se concentrent sur l’atténuation des problèmes causés par le sable à proximité des voies ferrées. «Nous avons été stimulés au départ par un besoin pratique exprimé par l’industrie», a déclaré le Dr Bruno.

Les membres de l’équipe ont développé une simulation informatique qui peut aider à évaluer la performance d’une mesure d’atténuation du sable avant la construction du chemin de fer. Leur simulation prend en compte à la fois le flux d’air et le mouvement du sable, et tient compte de différents phénomènes tels que l’érosion, la sédimentation et les avalanches de sable, simulant leur effet autour de la forme compliquée d’une voie ferrée.

« Nous sommes capables de prédire comment le vent, le sable et le chemin de fer se comportent dans des conditions réelles », a déclaré le Dr Bruno.

Hybride

Leur simulation informatique est maintenant utilisée pour développer une approche hybride pour évaluer la performance des mesures d’atténuation du sable dans le cadre d’un autre projet appelé HyPer SMM. Le Dr Raffaele et son équipe améliorent le modèle en incorporant des mesures d’essais en soufflerie avec du sable.

Sauver les chemins de fer du sable

L’équipe HyPer SMM a effectué des tests en soufflerie pour caractériser le déplacement du sable à différentes vitesses de vent. Crédit : Lorenzo Raffaele

« Cela nous permet de comparer les mesures en soufflerie et les résultats numériques, d’identifier les écarts et d’ajuster le modèle informatique sur les mesures en soufflerie en ajustant la valeur de certains paramètres », a déclaré le Dr Raffaele.

Jusqu’à présent, l’équipe a effectué des tests initiaux en soufflerie pour caractériser comment le sable se déplace à différentes vitesses de vent, en commençant par un lit de sable plat. Ils ont mesuré la concentration de sable dans l’air et la vitesse des grains de sable individuels, par exemple. Leurs résultats ont été utilisés pour ajuster le modèle informatique.

Ensuite, ils prévoient de mener des expériences en soufflerie avec du sable et des mesures d’atténuation du sable à échelle réduite, en se concentrant sur les solutions de barrière ou de fossé, car elles sont les plus largement utilisées. Les mesures prises en soufflerie lors de l’introduction d’une mesure d’atténuation seront comparées à celles obtenues à partir de la simulation pour la même mesure à échelle réduite. Une fois que les deux méthodes donnent les mêmes résultats, le modèle peut être validé. Il peut ensuite être appliqué pour tester la mesure d’atténuation à grande échelle, en contournant le problème en étendant les résultats de la soufflerie.

Le Dr Raffaele et ses collègues prévoient de rendre tous leurs résultats accessibles au public. Les entreprises et les universités pourront valider leurs propres simulations informatiques en utilisant par exemple leurs mesures en soufflerie. Ou les résultats d’un modèle informatique validé pourraient être utilisés pour aider à prédire l’efficacité d’une mesure d’atténuation du sable avant la construction de l’infrastructure, en utilisant des informations sur les conditions environnementales locales, telles que la vitesse et la direction du vent et la taille des grains de sable.

Le Dr Raffaele s’attend à ce que leur approche hybride soit principalement utilisée par les entreprises qui construisent de nouvelles voies ferrées ou étendent les réseaux existants au Moyen-Orient, en Afrique du Nord et en Chine. Mais il pourrait également présenter un intérêt dans les zones côtières d’Europe, où les tempêtes de vent provoquent souvent une accumulation de sable autour des bâtiments et des infrastructures dans les petits villages. Une ligne de tramway dans le nord de la Belgique, par exemple, est souvent perturbée par du sable sur les voies, comme lors d’une tempête en septembre dernier. « Ils ont dû tout nettoyer pendant plusieurs jours », a déclaré le Dr Raffaele.

Barrière

En plus de nouvelles approches pour évaluer les mesures d’atténuation du sable, des mesures plus efficaces sont également nécessaires. L’équipe du projet SMaRT a développé un nouveau type de barrière avec une projection incurvée au sommet, conçue pour être placée entre une zone sablonneuse et une voie ferrée. Il modifie le flux du vent et réduit la vitesse du vent afin que les grains de sable tombent. Le sable est donc piégé loin d’une voie ferrée, ce qui réduirait les coûts puisque le trafic ferroviaire n’aurait pas besoin d’être arrêté pour dégager le sable.

« Les travailleurs auraient parfois besoin d’enlever le sable sédimenté autour de la barrière mais cet entretien est plus facile (puisqu’il est) loin de la voie ferrée », a déclaré le Dr Bruno.

Ils ont également conçu une deuxième mesure d’atténuation du sable, qui est en train d’être brevetée. Il est destiné à être placé à proximité d’une voie ferrée et est conçu pour exploiter l’énergie du vent afin de disperser les grains de sable. Le Dr Bruno dit qu’idéalement, les deux mesures seraient utilisées ensemble. La barrière arrêterait la majeure partie du sable tandis que la deuxième mesure disperserait les grains restants.

L’équipe a également examiné comment la technologie de pointe peut améliorer l’évaluation du site des mesures d’atténuation. Lors d’essais sur le terrain dans le désert namibien, ils ont utilisé certaines de ces techniques pour évaluer les performances d’un système de voie spécial qui avait été installé pour aider à atténuer le sable sur une voie ferrée. En règle générale, les évaluations sont effectuées à l’aide d’anémomètres pour mesurer la vitesse du vent et d’un dispositif appelé piège à sable pour évaluer la quantité de sable transportée par le vent. Cependant, dans ce cas, ils ont utilisé un scanner laser pour mesurer le sable sédimenté et des capteurs piézoélectriques pour mesurer le flux de sable. « Ces mesures sont beaucoup plus précises que les pièges à sable adoptés jusqu’à présent », a déclaré le Dr Bruno.

À l’aide de cette nouvelle technologie, l’équipe a pu développer une nouvelle méthode qui peut être adaptée pour évaluer la performance de tout type de mesure d’atténuation du sable sur le terrain. Bien que leur modèle informatique aidera désormais à évaluer les mesures au stade de la conception initiale, les tests sur le terrain resteront importants à la fin. « Ils sont destinés à vérifier si tout va bien avant la mise en service d’une ligne ferroviaire », précise le Dr Bruno. « Les outils et techniques de mesure doivent donc être précis, fiables et robustes. »


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Fourni par Horizon : le magazine européen de la recherche et de l’innovation

Citation: Sauver les chemins de fer du sable (2021, 30 juin) récupéré le 30 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-railways-sand.html

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