Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Les structures exposées à des conditions nordiques sont susceptibles d'être soumises à l'accumulation de la glace atmosphérique. Ce genre d'événement peut nuire au bon fonctionnement d'une structure en provoquant des perturbations mécaniques et/ou électriques. Les conducteurs aériens d'énergie électrique sont une catégorie de structure à haut risque car ils parcourent des régions isolées qui rendent la prévention et la maintenance très difficiles. L'étude des phénomènes de glace atmosphérique cherche à développer une connaissance qui permette de prévoir et d'estimer les dangers d'un événement afin de prendre les mesures appropriées. Le but est finalement de concevoir des tracés des lignes de transport d'énergie dont le niveau de fiabilité est maximal. Dans ce cadre, nous utiliserons les données du site de givrage naturel du Mont Valin (Québec, Canada) afin d'étudier un aspect particulier de ce domaine : l'accrétion de la glace. Par l'analyse de ces données, l'objectif de la recherche présentée ici est d'abord de déterminer les charges enregistrées dues aux effets autres que la glace, ensuite, de les utiliser pour concevoir une base de données de toutes les phases d'accrétion de la glace, et, finalement, d'approfondir l'étude de la phase d'accrétion.

Il existe trois types de glace atmosphérique dangereux pour les activités humaines : le givre, le verglas et la neige mouillée. Ils sont généralement produits par divers phénomènes atmosphériques reliés aux conditions météorologiques. L'accrétion de la glace atmosphérique est un phénomène physique complexe qui implique les aspects thermodynamiques et fluidiques des gouttelettes d'eau surfondue et les propriétés matérielles et géométriques de la structure. Son étude sur un site expérimental demande l'application de critères objectifs qui sont applicables à tous les cas possibles.

Nous pouvons distinguer trois phases chronologiques dans un événement de givrage : la phase d'accrétion, la phase de maintien et la phase de délestage. Toutefois, les évolutions de la charge de glace ne suivent pas forcément cette séquence et ne contiennent pas toujours ces trois phases. Ainsi, pour isoler la phase d'accrétion, nous définissons un critère de fin de phase d'accrétion. Ce critère tient compte des deux paramètres suivants : la durée du maintien de la charge de glace et la proportion de glace délestée pendant l'accrétion. Le site de givrage naturel du Mont Valin est composé de quatre conducteurs répartis sur deux lignes. La ligne principale, dont la direction est perpendiculaire aux vents dominants Est-Ouest, comporte le conducteur de 12,5 mm de diamètre, le conducteur de 35 mm de diamètre et le faisceau de quatre conducteurs de 35 mm de diamètre. La ligne témoin comprend le conducteur témoin de 7,93 mm de diamètre. Les instruments installés mesurent les données météorologiques et les charges mécaniques appliquées sur les conducteurs. Mais, dans ce genre de conditions expérimentales, les charges mesurées ne sont pas toujours expliquées par l'accumulation de glace atmosphérique.

En effet, la variation de la charge enregistrée sur les conducteurs peut être due aux effets aérodynamiques engendrés par le vent, à la dilatation thermique des conducteurs ou à la dérive électronique de l'instrumentation, et non à la glace. Notre démarche est la suivante. Nous estimons d'abord théoriquement les effets des charges aérodynamiques et de la dilatation thermique sur les conducteurs, chargés ou pas de glace. Puis, nous comparons ces résultats aux données expérimentales où nous avons isolé chaque effet. Ensuite, nous observons dans la base de données les effets de la dérive électronique. Finalement, en utilisant les données théoriques pour valider les données expérimentales, nous déterminons un seuil de variation total de 61 g/m du signal de charge qui peut être expliqué par les effets cités ci-dessus.

Après avoir brièvement présenté les outils statistiques de corrélation et de régression, nous élaborons la base de données contenant les phases d'accrétion en appliquant le critère donné. Les analyses des distributions, de corrélation et de régression sont effectuées sur les quatre types de glace classifies : le givre, le verglas, la neige mouillée et les mélanges, et sur les quatre types de conducteurs du site. Les études des distributions des paramètres météorologiques tels que la température de l'air et la vitesse du vent confirment bien les ordres de grandeur cités dans la littérature pour le givre, le verglas et la neige mouillée. La durée de la phase d'accrétion et le taux d'accrétion pour les mêmes types de glace présentent aussi des propriétés statistiques conformes aux données de la littérature dans le domaine. Une caractéristique propre au site du Mont Valin -où les observations de givre sont dominantes- est que la charge de givre atteinte en fin de phase d'accrétion est souvent supérieure à celle des autres types de glace. Les analyses de régression sur le taux d'accrétion montrent le lien entre cette variable et les paramètres mesurés sur le site. Le taux d'alarmes du givromètre et l'orientation du conducteur sont deux facteurs influents du taux d'accrétion du givre. Quant au verglas, le taux de précipitations est important à considérer, mais pas l'orientation du conducteur. Pour la neige mouillée, l'intensité du vent perpendiculaire au conducteur et le taux de précipitations sont les facteurs importants. Enfin, la vitesse du vent et la hauteur des précipitations sont les paramètres qui expliquent le mieux le taux d'accrétion dans le cas des mélanges.

En conclusion, nous avons déterminé une valeur de la charge enregistrée sur le site du Mont Valin qui peut être expliquée par des phénomènes autres que l'accumulation de glace. En définissant et en appliquant un critère sur la base de données, nous avons pu étudier les caractéristiques de la phase d'accrétion et les facteurs d'influence du taux d'accrétion. Néanmoins, l'étude du type de glace noté mélanges a démontré la complexité de son interprétation statistique. Une décomposition de ce type de glace par proportions de givre et de verglas et une analyse statistique plus détaillée de ses caractéristiques mèneraient vers une meilleure compréhension des facteurs d'influence de l'accrétion de la glace atmosphérique.