Un ventilateur à réaction pour tunnel est sélectionné en fonction de sa poussée, mesurée en newtons, et non de son débit d'air. Il ne fait pas circuler l'air dans un conduit : il pousse l'air déjà présent dans le tunnel, et ce qui compte est la force qu'il exerce sur cette colonne d'air.
D'où vient le besoin en poussée
La poussée totale requise est la somme des résistances auxquelles la colonne d'air doit s'opposer :
- Frottement contre les parois sur toute la longueur du tunnel. Il est proportionnel à la longueur et au carré de la vitesse de l'air, et augmente donc rapidement avec la vitesse de conception.
- Pertes au niveau des portails et des entrées à chaque extrémité.
- Effet du trafic. Les véhicules se déplaçant dans le sens du flux d'air l'aident ; les véhicules se déplaçant à contre-courant, ou immobilisés dans un embouteillage, ajoutent une résistance importante. Un tunnel congestionné rempli de véhicules immobilisés constitue un problème aérodynamique différent de celui d'un tunnel où la circulation est fluide.
- Flottabilité due à la pente. L'air chaud s'élève ; un tunnel incliné présente donc un effet de cheminée naturel qui favorise ou s'oppose au sens de conception.
- Différence de pression atmosphérique entre les portails, due au vent et aux conditions météorologiques. Il s'agit souvent du terme isolé le plus important et le plus variable.
Le cas de conception correspond généralement à la pire combinaison : congestion, pente défavorable et vent défavorable simultanés. Un dimensionnement fondé sur la condition moyenne produit un système qui échoue au moment où il est nécessaire.
La poussée installée est inférieure à la poussée nominale
Un ventilateur donné pour 1,000 N ne fournit pas 1,000 N de poussée utile une fois installé. Deux pertes s'appliquent.
Proximité des parois. Le jet sortant du ventilateur entraîne l'air environnant. Si le ventilateur est monté trop près du plafond ou de la paroi du tunnel, le jet adhère à la surface et une partie de sa quantité de mouvement est perdue par frottement au lieu d'être transférée à la colonne d'air. Les fabricants publient un rendement d'installation, et des dégagements inférieurs à la valeur recommandée réduisent sensiblement ce rendement.
Interférence entre les ventilateurs. Des ventilateurs placés trop près les uns des autres en séquence se trouvent dans le sillage l'un de l'autre. Le ventilateur en aval aspire un air déjà en mouvement et ajoute moins de poussée que dans un air non perturbé.
Les règles pratiques qui en découlent sont les suivantes : respecter le dégagement spécifié par rapport au plafond, généralement une fraction du diamètre du ventilateur, et espacer suffisamment les ventilateurs le long du tunnel pour que chaque jet se soit remélangé avant l'arrivée du ventilateur suivant. Un espacement longitudinal de nombreux diamètres de tunnel est normal, et le réduire pour l'adapter à un tunnel plus court gaspille la capacité installée.
Réversibilité
La plupart des systèmes de tunnel doivent pousser l'air dans les deux sens : dans le sens normal pour la ventilation quotidienne, et dans l'autre sens pour contrôler le déplacement des fumées en cas d'incendie.
Deux méthodes permettent d'y parvenir :
- Pales aérodynamiquement réversibles, symétriques en profil. Elles fournissent une poussée complète dans les deux sens, mais les pales symétriques sont moins efficaces que les pales profilées dans le sens principal.
- Inversion du sens du moteur avec des pales asymétriques. Elles sont efficaces en marche avant, mais la poussée inverse est nettement plus faible, généralement annoncée à environ 60–70 % de la poussée avant. Cette solution est acceptable si le cas inverse a été dimensionné sur la base de cette valeur réduite.
Une erreur sur ce point constitue une grave erreur de spécification : un système dont la poussée inverse a été supposée égale à la poussée avant est sous-dimensionné précisément pour l'urgence qu'il doit gérer.
Fonctionnement en cas d'incendie
Les ventilateurs à réaction d'un tunnel routier doivent continuer à fonctionner dans des fumées chaudes. Les caractéristiques sont exprimées par une température et une durée : un ventilateur donné pour 250°C pendant deux heures, ou 400°C pendant deux heures, selon la stratégie incendie du projet.
Cette exigence concerne l'ensemble du système, et pas seulement le ventilateur : l'isolation du moteur et les roulements, le type de câble, les éléments de fixation et l'appareillage de commande qui l'alimente. Un ventilateur certifié pour une température élevée, alimenté par un câble qui tombe en panne à une température inférieure, ne constitue pas un système haute température.
Montage
Les ventilateurs à réaction sont suspendus à la voûte du tunnel, et le dispositif de montage doit supporter davantage que le poids du ventilateur :
- Réaction de poussée : le ventilateur pousse l'air dans une direction et exerce en continu une force opposée sur son dispositif de montage.
- Charges aérodynamiques dues aux véhicules qui passent, notamment dans les tunnels où le trafic de poids lourds circule à grande vitesse.
- Vibrations, qui desserrent les fixations au fil des années si la conception n'en tient pas compte.
Les supports antivibratoires associés à un dispositif secondaire de retenue de sécurité constituent une pratique courante, et ce dispositif secondaire n'est pas facultatif : la chute d'un ventilateur sur une voie en circulation est le mode de défaillance que la conception vise à prévenir.
Quand les ventilateurs à réaction ne sont pas la solution
La ventilation longitudinale par ventilateurs à réaction fonctionne bien jusqu'à un certain point. Les tunnels très longs, les tunnels à circulation bidirectionnelle et les tunnels où les fumées ne doivent pas être poussées sur toute la longueur vers les occupants nécessitent généralement des systèmes transversaux ou semi-transversaux avec des conduits dédiés d'insufflation et d'extraction. Il s'agit d'un projet différent, et les ventilateurs à réaction ne sont pas adaptés à ce type de projet ou ne peuvent pas être déployés efficacement à cette échelle.