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Vers une résolution numérique du vent dans la couche limite atmosphérique à micro-échelle avec la méthode de simulation des grandes échelles (LES) sous OpenFOAM

Lapointe-Thériault, David (2012). Vers une résolution numérique du vent dans la couche limite atmosphérique à micro-échelle avec la méthode de simulation des grandes échelles (LES) sous OpenFOAM. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

À l’aide de modélisation mathématique avancée de la turbulence et de ressources informatiques modernes, une amélioration des simulations numériques des écoulements atmosphériques est envisageable. Un avancement significatif dans ce domaine aurait un impact positif sur la recherche en énergie éolienne. Afin d’y contribuer, le présent ouvrage propose de s’attarder sur la conception d’un solveur numérique micro-échelle basé sur la méthode des Simulations aux Grandes Échelles (LES) avec loi de paroi à l’aide du progiciel à code source libre OpenFOAM. Des conditions atmosphériques neutres avec frontière rigide ou avec inversion de température potentielle comme frein à la progression verticale de la couche limite, un terrain plat, un fluide incompressible, une approximation de la flottabilité par Boussinesq et une turbulence horizontalement homogène sont les hypothèses de travail. Pour y parvenir, un réaménagement important du code est proposé. De nouvelles conditions frontières de vitesse et de température potentielle, un terme source dédié à satisfaire les lois de paroi et une modification à l’algorithme de résolution PISO permettant de stabiliser la couche d’inversion de température potentielle ont entre autres été créés. Grâce à ces ajouts, le nouveau solveur conçu est en mesure d’obtenir un comportement moyen proche de la similarité de Monin-Obukhov lorsque les simulations se retrouvent dans la Zone de Haute Précision. Il se démarque par sa capacité à résoudre des cas en présence de stratification thermique tout en conservant une forte compatibilité avec les différentes librairies de la distribution officielle d’OpenFOAM. Lorsque comparé avec d’autres solveurs d’organisations professionnelles (notamment MC2), les résultats obtenus sont prometteurs. Il est néanmoins recommandé de poursuivre le raffinement du code. Il est estimé qu’un renforcement plus stricte du couplage de résolution vitesse-pression-température et qu’une correction de la discrétisation linéaire des opérateurs différentielles du champ de vitesse en région proche-paroi amélioreraient davantage la qualité des simulations.

Résumé traduit

By using advanced mathematical modeling and modern computer resources, an improvement of numerical simulations of atmospheric flow is conceivable. Further advancement in this domain would have a positive impact on the wind energy research. In order to contribute at this effort, the present work is focused on the design of a numerical microscale solver based on the Large Eddy Simulation method with law-of-the-wall through the open-source software OpenFOAM. Neutral atmospheric conditions with slip lid or capping inversion to limit the depth of the growing boundary layer, flat terrain, incompressible flow, buoyancy by Boussinesq approximation and horizontally homogeneous turbulence are the working hypotheses. To achieve this task, a readjustment of the code is proposed. New boundary conditions for velocity and potential temperature, source term dedicated to satisfy laws-ofthe-wall and modification of PISO algorithm in order to stabilize the capping inversion layer have been created, among others. Due to these additions, the new designed solver is able to perform simulations with an average behavior close to the Monin-Obukhov similarity when the High Accuracy Zone is reached. It distinguishes oneself by its capability to resolve cases in the presence of thermal stratification while conserving a strong compatibility with the official distribution of OpenFOAM. Subjected to direct comparisons with other solvers from professional organizations (notably MC2), the results obtained are quite promising. It is however recommended to pursue the refinement of the code. It is believed that an even tighter velocity-pressure-temperature coupling and a correction of the linear discretization of the differential operators from velocity field in the near-wall region would further improve the quality of the simulations.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliogr. : f. [169]-173.
Mots-clés libres: Analyse numérique. Couche limite (Météorologie). Méthodes de simulation. Turbulence atmosphérique. Vents. CFD, CLA, échelle, grand, OpenFOAM,
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Benoit, Robert
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 14 févr. 2013 21:16
Dernière modification: 04 mars 2017 01:51
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1123

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