Turbulence modelling in wind turbine wakes

Résumé

L’expansion de l’industrie éolienne s’est accompagné de l’apparence de plus en plus courante des centrales éoliennes dans notre paysage. Suite à des restrictions spatiales et à des raisons économiques les éoliennes se trouvent proches les unes des autres dans ces centrales. Cela cause des problèmes d’interférence qui réduisent l’efficacité du site. Ce sont surtout les sillages des éoliennes qui augmentent le niveau de turbulence et provoquent une perte de quantité de mouvement qui conduiront à une augmentation des charges mécaniques et à une reduction de puissance. Il est ainsi essentiel pour l’industrie éolienne de prévoir les caractéristiques du champ de turbulence dans les sillages afin d’augmenter le rendement de la production de l’électricité. Afin d’obtenir une description précise de ce phénomène de nature non-linéaire il faut appliquer la totalité des équations de Navier-Stokes. De plus, la caractérisation correcte de la turbulence nécessite la résolution des fluctuations turbulentes. Par conséquent, ni les modèles linéaires ni le modèle des équations moyennes de Navier Stokes peuvent être employés. Une alternative proposée sera la simulation aux grandes échelles (SGÉ): cela permet de résoudre les fluctuations plus énergétiques dans les champs de vitesse et la modélisation des effets des petits tourbillons en appliquant un modèle de sous-maille. L’objectif de cette thèse est donc la modélisation de la turbulence dans les sillages des éoliennes dans un écoulement turbulent homogène à l’entrée. Une méthodologie a été développée afin d’atteindre cet objectif. Un champ de turbulence synthétique est tout d’abord introduit dans le domaine de calcul et l’écoulement avec turbulence décroissante est simulé à l’aide des SGÉ. Ensuite, l’effet d’un rotor dans l’écoulement ainsi que la production d’un sillage sont simulés en employant la technique de disque actuateur (DA). L’implémentation est réalisée avec OpenFOAM, un programme de code source ouvert pour la mécanique des fluids numérique, similaire à une procédure bien documentée et utilisée pour des simulations de sillages. Les résultats obtenus par cette méthodologie proposée sont validés en les comparants avec des valeurs obtenues par des expériences en soufflerie. En outre, les simulations sont effectuées avec EllipSys3D, un code largement répandu et testé pour des calculs des sillages des éoliennes dont les résultats présentent une bonne référence. Malgré une résolution limitée du maillage par rapport à la taille des structures turbulentes d’écoulement à l’entrée, les résultats montrent que les caractéristiques de turbulence dans la turbulence décroissante ainsi que dans le champ du sillage sont adéquatement reproduites. Ces observations sont accompagnées par une estimation de la modélisation SGÉ ce qui présente un instrument adéquat de simulations. Une analyse de l’évolution longitudinale de la turbulence montre qu’à l’intérieure du sillage elle se développe en grande partie comme dans le cas de la turbulence décroissante libre. De plus, les deux codes prévoient une dominance des échelles de longueur au niveau de turbulence ambiante à travers le sillage présentant un faible effet causé par la couche de cisaillement à la limite extérieure du sillage. Ces remarques sont supportées par l’analyse des caractéristiques dans le spectre en énergie tout au long du sillage. Également, les champs de turbulence du sillage produits par deux modèles DA sont comparés: un disque avec une distribution de poussée uniforme et un modèle incluant les effets des vitesses tangentielles et considérant des propriétés du profil de la pale. Ce dernier inclut un régulateur de vitesse de rotation visant à simuler des conditions réelles des éoliennes aux différentes vitesses de rotation. Les résultats montrent que les différences observées entre les modèles dans le champ de sillage proche sont réduites plus en aval. Il est observé aussi que ces disparités décroissent avec l’emploi d’un écoulement à l’entrée turbulent comparé au cas non-turbulent. Ces observations confirment l’hypothèse que les disques avec une distribution de poussée uniforme sont adéquats pour la modélisation du sillage lointain. En outre, la method avec contrôle montre un bon ajustement aux conditions locales de l’écoulement à l’entrée. En conséquence, la vitesse de rotation est régulée pendant que la performance calculée fait preuve d’une bonne réalisation du design du rotor modelisé. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que la méthodologie présentée a été utilisée avec succès dans la modélisation et l’analyse de turbulence dans des écoulements de sillages.

Date	14 juil. 2017
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Christian Masson (Directeur(-trice)) & Louis Dufresne (Codirecteur(-trice))