Application of actuator surface concept in LES simulations of the near wake of wind turbines

Résumé

Au cours des dernières décennies, l’énergie éolienne est devenue une partie cruciale des energies renouvelables, qui cherchent à satisfaire la demande d’énergie d’une façon durable. La conception actuelle des pales des éoliennes est proche de son optimum aérodynamique, donc le défi principal, de nos jours, est la viabibilité dans la concecption des parcs éoliens. En conséquence, les parcs éoliens sont développés avec une densité des turbines plus élévée et sur des terrains plus complexes au niveau de la topographie. C’est ainsi que l’interaction entre les turbines, notamment par les sillages, joue un rôle très important dans la conception des sites. Les sillages sont caracterisés par le niveau élévé de la turbulence et le déficit de la vitesse. Alors que l’industrie préfère des solutions approximatives à cause des coûts de calcul, le caractère non-linéaire du phénomène est mieux décrit par les équations de Navier-Stokes. Dû au fait qu’il n’y a pas de solution analytique pour ces équations, la dynamique des fluids computationnelle est souvent utilisée. Des niveaux différents de fidélité peuvent être atteints selon la représentation de la turbulence. L’objectif de ce travail est d’examiner le sillage proche d’une éolienne pour des turbulences ambiantes différentes. Le rotor est représenté par la méthode de la ligne actuatrice implementée dans le cadre applicatif très populaire SOWFA du NREL, USA. Un cas sans turbulence ambiante est validé avec une autre structure logicielle pour l’énergie éolienne populaire, Ellip-Sys3D. Par la suite, le cas est vérifié avec des résultats expérimentaux provenant des experiences en soufflerie MEXICO et NEW MEXICO. En adaptant la largeur de distribution de la force dans le domaine numérique, la ligne actuatrice se dirige vers la surface actuatrice. La largeur de distribution pour le cas présenté ici est déterminée d’une façon empirique. Une fois le cas de base établi, le rotor est immergé dans une turbulence homogène isotrope pour laquelle une condition à la frontière a été conçue dans le cadre applicatif OpenFOAM. La turbulence synthétique obtenue par l’algorithme de Mann est imposée à la simulation aux grandes échelles avec le modèle dynamique Lagrangien pour les échelles de sous-maille. Finalement, le rotor est exposé à la turbulence cisaillée générée par une librairie externe permettant l’utilisation de la turbulence synthétique obtenue par l’algorithme de Mann dans un cas cisaillé. En analysant les propriétés tourbillonaires et le spectre d’énergie dans les deux cas de turbulence, on peut déduire l’influence de la turbulence ambiante sur le sillage proche. Un autre aspect intéressant est de déterminer, grâce aux spectres, jusqu’à quelle distance en aval les pales distinctes du rotor peuvent être ressenties par l’écoulement.

Date	19 mars 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Christian Masson (Directeur(-trice)) & Louis Dufresne (Codirecteur(-trice))