Quand un train à grande vitesse entre dans un tunnel, il pousse l'air devant lui et engendre une onde de compression. Cette onde parcourt le tunnel à une vitesse proche de celle du son, se réfléchit à l'extrémité opposée et fait des allers-retours à l'intérieur.
Elle provoque deux problèmes distincts.
1. Le bang de tunnel
Quand l'onde de compression atteint l'extrémité opposée du tunnel, il se produit une détente brutale, et un bruit de détonation s'entend à l'extérieur. Pour les tunnels proches de zones habitées, c'est un facteur limitant pour le projet.
Ce qui est décisif, c'est l'ampleur du raidissement du front d'onde : dans les tunnels longs, les effets non linéaires aiguisent le front et le bruit augmente. La contre-mesure est un auvent de tête à l'entrée du tunnel, offrant un changement progressif de section — il allonge le temps de montée de l'onde et abaisse l'amplitude crête.
2. Le confort des passagers
Les ondes qui vont et viennent dans le tunnel créent des fluctuations de pression dans le véhicule. Les seuils de gêne auriculaire sont définis en termes de vitesse de variation de la pression — non la valeur absolue mais la variation par seconde. L'étanchéité de la caisse détermine la part de la fluctuation qui parvient à l'intérieur.
Si deux trains se croisent dans le tunnel, les ondes se superposent et le cas le plus défavorable apparaît.
Modélisation
Compressible et instationnaire. Le phénomène est par définition une propagation d'onde acoustique ; un modèle incompressible ne peut pas du tout le produire. Voir la note sur l'écoulement compressible.
Un train en mouvement. Soit on déplace le train (maillage chimère), soit on attache le référentiel au train. Voir la note sur les frontières mobiles.
Résolution du maillage le long du tunnel. Il faut assez de cellules le long de l'axe pour capter le raidissement du front d'onde ; un maillage grossier lisse l'onde numériquement et sous-estime le bruit. Voir la note sur les schémas de discrétisation.
La longueur du tunnel et le taux de blocage sont les paramètres dominants ; l'amplitude de l'onde croît rapidement à mesure que le rapport des sections train/tunnel augmente.
Références
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
- Fay, J. A. & Riddell, F. R. (1958). Theory of stagnation point heat transfer in dissociated air. Journal of the Aerospace Sciences, 25(2), 73–85. DOI: 10.2514/8.7517