Turbullence modelling of the atmospheric boundary layer over complex topography

Résumé

De nos jours, l’industrie de l’énergie éolienne emploie différents types de modèle de turbulence qui sont capables de reproduire correctement et de manière réaliste le comportement de divers écoulements relativement simples (par ex.: vent au dessus d’un terrain plat, homogène et sans obstacles). Cependant, l’augmentation de la complexité de l’écoulement (par ex.: dans le cas de topographies complexes) diminue grandement la précision des modèles de turbulence, tout en augmentant le coût des calculs. Par conséquent, les simulations précises et fiables des écoulements au-dessus des terrains complexes demeurent peu pratiques pour les applications du secteur éolien. Afin d’améliorer les simulations d’écoulement du vent au-dessus des terrains complexes, deux des principales difficultés rencontrées dans ce domaine seront présentées dans cette thèse. La première difficulté est liée au fait que les traitements existants de modèles de surface ne sont valides que pour les terrains plats. Néanmoins, ces traitements sont fréquemment appliqués à des simulations d’écoulement au-dessus de terrain complexes. Cependant, le modèle de turbulence k − ω SST (shear stress transport) possède un traitement novateur de la surface qui le rend moins dépendant des suppositions de terrains plats. La seconde difficulté correspond aux coûts prohibitifs des simulations lorsque des statistiques précises et fiables sont requises. Cependant, les modèles hybrides de turbulence peuvent présenter un compromis idéal entre précision et coût de calculs. Prenant tout cela en compte, les travaux de cette thèse emploient un modèle de turbulence basé sur le modèle k−ω ainsi que sur la technique hybride dite “simplified improved delayed detached-eddy simulation” (SIDDES), afin d’adresser les besoins du secteur de l’énergie éolienne. Pour valider ce modèle d’écoulement atmosphérique, une analyse détaillée d’écoulements typiques est effectuée. Cette validation rigoureuse permet de mieux comprendre les limitations intrinsèques du modèle de turbulence dans le cadre des calculs numériques effectués. Par la suite, des simulations de l’écoulement dans la couche atmosphérique neutre au-dessus d’un terrain plat et homogène sont conduites. Les résultats montrent que le modèle de turbulence k − ω SST-SIDDES reproduit de manière réaliste le comportement du vent au-dessus de terrains plats et complexes. La finesse verticale de la grille de calcul proche des limites du domaine requises par ce modèle présente un problème majeur pour la création du maillage. Cependant, malgré cette limitation, il est démontré dans cette thèse que le modèle de turbulence k-omega SST-SIDDES représente une approche appropriée à la modélisation de l’écoulement du vent au-dessus des terrains complexes, et ce, sans avoir à supposer que le terrain est plat et sans exiger d’importantes ressources de calculs.

Date	19 oct. 2015
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Louis Dufresne (Directeur(-trice)) & Christian Masson (Codirecteur(-trice))