Étude de l’écoulement de la couche limite atmosphérique pour la modification du couvert forestier au voisinage d’une éolienne

Résumé

Afin de mieux comprendre l’effet de la taille des déboisements et des caractéristiques de la forêt sur l’écoulement du vent, des simulations numériques 2D ont été réalisées à l’aide d’une approche RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes). Un modèle k – e modifié permettant de prendre en compte la traînée due à la végétation a été utilisé après avoir été validé par les expériences réalisées en soufflerie de deux auteurs. Une couche limite de surface horizontalement homogène (CLSHH) et neutre a été modélisée en entraînant l’écoulement à la fois par un gradient de pression et une contrainte de cisaillement et en utilisant des conditions aux limites originales en haut du domaine pour les quantités turbulentes. Le modèle a été validé à l’aide de mesures expérimentales de terrain. L’écoulement a été simulé au-dessus d’une forêt de référence reproduisant une forêt boréale typique contenant une zone de coupe d’une longueur variable comprise entre 1h à 100h. Les simulations ont été reproduites dans le cas de trois autres distributions de densité de surface foliaire (Leaf Area Density, LAD) et trois autres indices de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI) compris entre 2.5 à 10. En supposant qu’une éolienne d’environ 3MW était installée dans la zone déboisée, les variations spatiales de l’énergie disponible (E), du cisaillement moyen du vent (Average Wind Shear, AWS) et de l’énergie cinétique turbulente cumulée (cumulative Turbulente Kinetic Energy, cTKE) contenue dans la couche d’air balayée par les pâles ont été estimées à partir des simulations. Particulièrement, la distribution au-dessus du déboisement de leurs changements relatifs par rapport à une zone entièrement boisée a été étudiée. Trois hauteurs de moyeu ont été utilisées pour étudier l’influence de ce paramètre sur la distribution des variables. De manière inattendue, les résultats montrent que le déboisement dans la forêt ne génère pas nécessairement un gain d’énergie ni une réduction de cTKE ou d’AWS par rapport à une zone entièrement boisée, et l’agrandissement du déboisement n’améliore pas nécessairement ces variables. Pour les petites tailles de déboisement, environ 4h ou moins, la coupe n’a presque aucun effet. Les tailles "moyennes" (environ 10h à 40h) sont les moins adaptées, menant aux plus grandes réductions de E, et aux plus grandes augmentations de cTKE et d’AWS. En continuant d’agrandir le déboisement, on peut éventuellement réaugmenter progressivement E mais également l’AWS. L’augmentation de la hauteur du moyeu ne réduit pas les changements relatifs des variables par rapport à leur valeur de référence générés par le déboisement. Pour finir, l’augmentation de la densité de la forêt ainsi que l’augmentation de la répartition des feuilles au sommet des arbres intensifient l’effet du déboisement sur l’écoulement. Cependant les changements ne sont pas significatifs et la distribution des variables reste largement la même.

Date	18 août 2021
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Christian Masson (Directeur(-trice)), Antoine Tahan (Directeur(-trice)) & Jonathon Sumner (Codirecteur(-trice))