Analyse de l’interaction rotor/nacelle à l’aide du disque actuateur et de la ligne actuatrice

• Main Author: Ameur, Khaled
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2013
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/1154/1/AMEUR_Khaled.pdf; http://espace.etsmtl.ca/1154/2/AMEUR_Khaled%2Dweb.pdf

Ce projet de doctorat concerne la simulation numérique de l’écoulement dans le sillage proche des éoliennes. L’analyse se concentre surtout sur l’interaction du sillage issu du rotor avec la nacelle à l’emplacement de l’anémomètre. L’anémomètre disposé sur la nacelle des éoliennes, indispensable au contrôle de la production ainsi qu’à la sécurité de la machine est de plus en plus utilisé pour les tests de performance et la calibration de site. Toutefois, la mesure du vent issue à partir de cet anémomètre peut être perturbée par de nombreux paramètres, entre autres la nacelle elle-même, la turbulence, les tourbillons émanant de la racine de la pale, le terrain. La quantification de ces effets permet d’évaluer avec précision la relation entre la vitesse du vent non perturbée et la vitesse du vent mesurée à la nacelle sous la forme de fonctions de transfert (NTF) indispensables à la technique des tests de performance basée sur l’anémométrie à la nacelle. Le principal objectif de ce travail est l’élaboration d’une méthode de mécanique des fluides assistée par ordinateur (CFD) afin d’évaluer l’écoulement au niveau du rotor et son interaction avec la nacelle. La méthodologie consiste en une résolution des équations de Navier-Stokes moyennées par la décomposition de Reynolds. Des calculs bidimensionnels axisymétriques (2D) et tridimensionnels (3D) sont réalisés avec l’approche des volumes finis sous le code commercial Fluent. L’écoulement est considéré complètement turbulent où deux modèles de fermeture à deux équations de transport sont utilisés. Étant donné la proximité de l’anémomètre à la paroi de la nacelle, cette dernière est représentée aussi fidèlement que possible dans le maillage. Dans un premier temps, la forme de la nacelle et son impact sur la NTF est analysée. Pour les simulations 3D, une attention particulière est portée aux conditions aux frontières afin de reproduire une couche limite atmosphérique neutre et un sol rugueux à travers une loi de paroi appropriée. Une modélisation assez simple du rotor est retenue qui est celle du disque actuateur uniformément chargé. Les effets moyens de la rotation des pales sont reportés sur une surface poreuse à l’écoulement. La force normale prescrite est évaluée à partir du coefficient de poussée de l’éolienne simulée. L’emploi d’une approche 3D, lorsque la géométrie de la nacelle est complexe, ainsi que l’utilisation du modèle de turbulence k-ω sst par rapport au k-e, avec une simple loi de paroi standard au niveau de la nacelle, permettent une bonne prédiction de la NTF. Dans un deuxième temps, la rugosité du sol, la proximité du sol par rapport à la nacelle, ainsi que les phénomènes d’accélération et d’inclinaison de l’écoulement qu’engendrent les escarpements, sont analysés et leurs impacts sur la NTF quantifiés. Afin de diminuer l’effet de la pente du sol sur l’écoulement au niveau de la nacelle, il suffit d’installer l’anémomètre à une plus grande distance de la surface de la nacelle. Dans la dernière partie de ce travail, l’analyse est focalisée sur la représentation des effets des pales sur l’écoulement. Trois modélisations différentes du rotor sont considérées et comparées dans un écoulement turbulent où la présence du sol est négligée. L’approche du disque actuateur avec chargement uniforme de la première partie est reprise et comparée à une version plus généralisée du disque actuateur où la rotation du sillage est considérée par la méthode de l’élément de pale. Enfin, l’approche de la ligne actuatrice est implémentée et validée. C’est une technique qui considère chaque pale distinctement, comme une ligne où des forces axiales et tangentielles sont injectées dans l’écoulement. La rotation des pales est prise en compte en considérant les équations qui régissent l’écoulement dans un repère en rotation. La ligne actuatrice permet une meilleure capture de la structure tourbillonnaire du sillage juste derrière le rotor, et ainsi une NTF calculée avec moins d’incertitudes par rapport à l’approche du disque actuateur.