EFFETS DE LA VARIATION DE LA RUGOSITÉ DU SOL SUR L’ÉCOULEMENT À L’EMPLACEMENT DE L’ANÉMOMÈTRE

EFFETS DE LA VARIATION DE LA RUGOSITÉ DU SOL SUR
L’ÉCOULEMENT À L’EMPLACEMENT DE L’ANÉMOMÈTRE

REVUE DE LITTÉRATURE

Du fait de la grande similarité des hélices de bateaux et d’avions avec les pales d’éoliennes,les premières théories appliquées à l’analyse du comportement aérodynamique des systèmes de captation de l’énergie cinétique du vent, tirent leurs origines de la recherche navale et aéronautique. À partir du 19eme siècle, grâce à Rankine et à Froude, une première esquisse d’une théorie assez simpliste a vu le jour. Cette théorie consiste à déterminer les forces qui agissent sur l’hélice en considérant une simple variation de la quantité de mouvement à travers le disque représentant le rotor. Par la suite, une pléiade de scientifiques, tels que Kutta, Joukowski, Betz, Prandtl et Glauert ont amélioré cette théorie en introduisant de nouveaux concepts, tels que la circulation, la théorie du profil d’aile, ainsi que la théorie de l’aile à envergure finie.

Durant cette même période, les équations aux dérivées partielles qui décrivent le mouvement des fluides étaient bien connues. Mais leurs résolution était impossible pour l’époque, vu leurs complexités. Il faudra attendre la deuxième moitié du 20eme siècle, pour qu’une solution numérique approchée soit réalisée grâce à l’avènement des ordinateurs. De nos jours, l’utilisation de la simulation numérique a pris un tel essor qu’une bonne partie des projets d’analyse et de conception des éoliennes de par le monde sont réalisés numériquement. Les techniques de CFD, faisant intervenir la résolution des équations d’Euler ou de Navier-Stokes, se présentent comme une sérieuse rivale à l’approche expérimentale. Toutefois, cette dernière reste la source primordiale pour toute validation de ces méthodes numériques.

Méthodes tourbillonnaires

Ce sont des méthodes non visqueuses adaptées à partir de l’aérodynamique des rotors d’hélicoptères en vol stationnaire (Conlisk, 1997). Elles sont basées sur l’hypothèse que plusieurs filaments tourbillonnaires de formes hélicoïdales émanant de la pale, forment un sillage tourbillonnaire s’étendant à l’aval du rotor. Les vitesses induites par ce système tourbillonnaire sont obtenues par la loi de Biot-Savart. Ainsi, la connaissance détaillée de l’évolution du sillage est nécessaire, pour cela il existe la méthode où le sillage est prédéfini avant les calculs (Afjeh et Keith, 1986) et la méthode où le sillage est complètement libre (Simoes et Graham, 1992) faisant partie de la solution. La pale peut être modélisée par une ligne portante (Dumitrescu et Cardos, 1998) ou par une surface portante (Kocurek, 1987).

Cette dernière permet de mieux représenter la géométrie de la pale en disposant des singularités suivant son contour. Les mé-thodes tourbillonnaires sont des techniques lagrangiennes qui permettent de prendre en considération seulement une partie de l’espace, c’est-à-dire, la position des tourbillons. L’avantage par rapport à la méthode BEM, c’est qu’elles arrivent à analyser l’instationnarité de l’écoulement ainsi que le cas 3D avec l’angle de lacet au niveau du rotor (Chattot, 2006; Kecskemety et McNamara, 2011). Pour prendre en considération les effets visqueux, les méthodes tourbillonnaires peuvent être couplées avec les méthodes de CFD (Xu et Sankar, 2000) ou bien avec un simple calcul de couche limite intégrale (Voutsinas, 2006).

Éolienne sur un terrain complexe

La croissance des parcs éoliens dans le monde est en continuelle évolution. Cet engouement s’est naturellement accompagné de la raréfaction des terrains plats et bien ventée, ce qui a poussé les promoteurs éoliens à se rabattre sur les terrains accidentés malgré les écoulements complexes qui s’y développent. La littérature abonde dans la description d’écoulement au dessus de multiples topographies (Bitsuamlak et al., 2004) plus ou moins complexes. Les écoulements sur des terrains avec pentes prononcées ne peuvent être correctement estimés par les modèles linéaires (Migoya et al., 2007) tels que dans le code WAsP.L’approche RANS avec un modèle de turbulence à deux équations donnent de bons résultats pour la simulation d’écoulement sur les collines (Griffiths et Middleton, 2010; Kim et al., 2000; Castro et al., 2003; Prospathopoulos et Voutsinas, 2006) surtout pour l’accélération sur le côté exposé au vent, mais l’écoulement décollé sur le coté « sous le vent » est généralement mal capturé.

La bonne prédiction sur cette partie de l’écoulement dépendra du model de turbulence utilisé ainsi que d’une fidèle représentation de la rugosité du sol (Prospathopoulos et Voutsinas, 2006). L’approche LES a beaucoup d’avenir dans ce domaine, ainsi Chow et Street (2009) l’ont appliquée pour le cas de la colline de l’Askervein et ont trouvé de bons résultats pour la turbulence et la vitesse moyenne. Toutefois, le grand nombre de mailles requis au niveau du sol a motivé (Bechmann et Sørensen, 2010) à utiliser une méthode hybride : approche RANS (k–) au niveau du sol et LES ailleurs. Cette façon de faire a bien évaluée la turbulence, par contre la vitesse moyenne dans la zone décollée est sous-estimée par rapport à un calcul totalement RANS. Prospathopoulos et al. (2008) analysèrent l’écoulement autour d’une éolienne de 5MW disposés sur une colline de forme Gaussienne. L’utilisation de l’approche RANS (k–ω) et d’un disque actuateur pour le rotor a permis de montrer que le déficit en vitesse dans le sillage est perçu sur une distance bien plus importante que celle pour le terrain plat.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Méthode de calculs en aérodynamique des éoliennes
1.2.1 Méthodes intégrales
1.2.2 Méthodes tourbillonnaires
1.2.3 Méthodes de CFD
1.2.3.1 Représentation en entier du rotor dans le maillage
1.2.3.2 Représentation simplifiée du rotor
1.3 Sillage proche et lointain
1.4 Interaction rotor/nacelle
1.5 Éolienne dans une couche limite atmosphérique
1.6 Éolienne sur un terrain complexe
CHAPITRE 2 2D AND 3D NUMERICAL SIMULATION OF THE WIND ROTOR NACELLE INTERACTION IN AN ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER
2.1 Introduction
2.2 Mathematical model
2.2.1 Governing equations
2.2.2 Turbulence model
2.2.3 Boundary conditions
2.2.3.1 Inlet
2.2.3.2 Lateral surfaces
2.2.3.3 Outlet
2.2.3.4 Top boundary
2.2.3.5 Treatment of the nacelle wall
2.2.3.6 Rotor
2.2.3.7 Ground surface
2.3 Numerical simulation
2.3.1 Numerical method
2.3.2 Mesh
2.4 Error analysis
2.5 Results
2.5.1 Wind turbine Nordex N80
2.5.2 Jeumont J48
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 EFFECTS OF TERRAIN SLOPE ON NACELLE ANEMOMETRY
3.1 Introduction
3.2 Mathematical and Numerical Models
3.2.1 Governing Equations
3.2.2 Boundary Conditions
3.2.3 Wind Turbine
3.2.4 Numerical Considerations
3.2.5 Computational Domain and Meshes
3.3 Results and Discussion
3.3.1 Domain with no wind turbine
3.3.2 Domain with wind turbine
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 EFFECTS OF WIND TURBINE ROTOR MODELLING ON NACELLE ANEMOMETRY
4.1 Introduction
4.2 Mathematical Models and Numerical Considerations
4.2.1 Governing Equations
4.2.2 Boundary Conditions
4.2.3 Rotor Models
4.2.3.1 Actuator Disk Approach
4.2.3.2 Actuator Line Approach
4.2.4 Wind Turbine Characteristics
4.2.5 Numerical Considerations
4.2.6 Computational Domain and Meshes
4.3 Results and Discussion
4.3.1 TUDelft Rotor
4.3.2 Nordtank Rotor
4.4 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I EFFETS DE LA VARIATION DE LA RUGOSITÉ DU SOL SUR
L’ÉCOULEMENT À L’EMPLACEMENT DE L’ANÉMOMÈTRE
ANNEXE II EFFETS DE LA VARIATION DE LA GÉOMÉTRIE DE LA NACELLE SUR L’ÉCOULEMENT À L’EMPLACEMENT DE L’ANÉ-MOMÈTRE
LISTE DE RÉFÉRENCES