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

Ameur, Khaled (2013). Analyse de l’interaction rotor/nacelle à l’aide du disque actuateur et de la ligne actuatrice. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

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.

Titre traduit

Analysis of the rotor/nacelle interaction using actuator disk and actuator line

Résumé traduit

This PhD project concerns a numerical simulation of the very near wake of wind turbines.

The analysis is focused on the interaction of the very near wake with the nacelle at the anemometer location. The anemometer located on wind turbine nacelle, essential for production control and the safety of the machine is increasingly used for performance assessment and site calibration. However, in order to construct the power curve, undisturbed wind speed is required. Thus, in order to be able to make use of nacelle anemometry, one needs to know the NTF, the relationship linking free stream wind speed and nacelle wind speed. This relationship must take into consideration all the perturbations that can have a significant impact on the flow near the nacelle. The shape of the nacelle, the turbulence, the tip vortex and the terrain are among the most significant.

The main objective of this work is to develop a CFD method to investigate the rotor/nacelle interaction. The methodology used consists to solve 2D-axisymmetric and 3D Navier-Stokes equations, averaged according to Reynolds decomposition. The flow is considered fully turbulent and two turbulence equations models are used to close the system of equations. The governing equations are solved using finite volume technique implemented in the commercial solver Fluent. Given the proximity of the anemometer to the nacelle wall, the geometry of the nacelle is reproduced as faithfully as possible in the mesh.

First, the shape of the nacelle and its impact on the NTF is investigated. For 3D simulations, special attention is accorded to boundary conditions to reproduce a neutral atmospheric boundary layer and rough ground through an adequate wall law. The rotor is modeled by the actuator disk concept where the average effects of the blades are reported uniformly on a porous surface. Only axial effects are considered from experimental values of the thrust coefficient of the simulated turbine. The use of a 3D approach, when the geometry of the nacelle is complex, and a k-ω sst turbulence model instead of k-� model, with a standard wall law at the nacelle, improve the prediction of the NTF.

Second, the ground roughness, the hub height variation and the phenomena of speed-up and flow inclination due to escarpments, are analyzed and their impacts on the NTF quantified. The sensitivity of the NTF to the terrain slope is reduced by displacing the position of the anemometer upward the nacelle body.

Finally, the analysis is focused on the representation of the blades effects on the flow. Three various rotor models are used and compared in a turbulent flow where the terrain is neglected. The approach of the actuator disk with uniform loading of the first part is used and compared to a generalized actuator disk where the wake rotation is considered by using the blade element theory. The third approach is the actuator line which is implemented and validated. This technique considers each blade separately as a line where axial and tangential forces are injected in the flow. The rotation of the blades is taken into account by considering the governing equations of the flow in a non-inertial reference frame. The actuator line improves the capture of the vortical structure of the wake and thus allows an enhanced prediction of the NTF compared to the actuator disk approach.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l’école de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [121]-131.
Mots-clés libres: Éoliennes à axe horizontal. Rotors. Couche limite (Météorologie). Escarpements. 2D, 3D, actuateur, disque, interaction, ligne, nacelle, RANS, simulation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 15 avr. 2013 18:35
Dernière modification: 08 mars 2017 02:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1154

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