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Numerical simulation of the flow around a wind turbine using OpenFOAM

Urbina Rivas, Oscar Alejandro (2014). Numerical simulation of the flow around a wind turbine using OpenFOAM. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Depuis plusieurs années le sillage des éoliennes est un sujet d’études en aérodynamique. À travers les années plusieurs modèles de prédiction ont été développés en cherchant un moyen simple et efficace de prédiction des charges des pales d’une éolienne et de ses effets sur l’écoulement. Dans les dernières années, avec le développement de la mécanique des fluides assistée par ordinateur (CFD), des nouvelles méthodes de simulation des éoliennes sont apparues; parmi les méthodes plus populaires de modélisation des rotors d’éolienne,on trouve l’utilisation des forces volumiques, capables de bien modéliser le sillage lointain mais avec une représentation moins fine du sillage proche. Comme alternative, la méthode de la surface actuatrice (SA) développée par Sibuet Watters and Masson (2010) et son implémentation dans les équations différentielles de Navier-Stokes avec le logiciel OpenFOAM sont présentées dans ce mémoire.

La SA est une surface infiniment mince porteuse de discontinuités de vitesses tangentielles à la surface et un système des forces attachées donné par une relation du type Kutta-Jukowski, qui génère une discontinuité de pression dans la direction normale à la surface. La SA peut aussi être décrite comme une nappe tourbillonnaire poreuse qui génère des forces de portance reliées à ses caractéristiques de circulation. Des applications bidimensionnelles et tridimensionnelles ont été implémentés en utilisant une méthode de volumes finis (MVF) dans OpenFOAM.

La SA a été validée avec des cas dont une solution analytique est disponible, comme le cas du plan infini, le disque actuateur légèrement chargé ou un segment bidimensionnel porteur d’une discontinuité de vitesse. La SA est aussi appliquée pour l’étude d’une aile en translation, l’étude de ce cas a démontré que la SA peut réproduire correctement des caractéristiques telles que l’angle induit, qui a été comparé avec la théorie de la ligne portante de Prandtl. L’application finale est l’étude d’une éolienne, l’analyse d’élément de pale ayant été utilisée pour calculer la charge des pales. Les résultats sont comparés avec des données expérimentales et ils montrent que la SA est une méthode appropriée pour la prédiction des sillages, capable de bien modéliser les caractéristiques du sillage proche et lointain.

Titre traduit

Simulation numérique des écoulements autour d'une éolienne en OpenFOAM

Résumé traduit

The vortical wake created by wind turbines has been the subject of aerodynamics studies for many years, and multiple prediction models have been developed over the years in a search for a simple yet accurate means of predicting blade loading and their effect on flow. In recent years, the development of computational fluid dynamics (CFD) has given rise to new simulation methods for wind turbines. Amongst the more popular methods for modelling wind turbine rotors, we note the use of volume forces, which are able to correctly model the far wake but fail to accurately reproduce near wake characteristics. As an alternative, the Actuator Surface (AS) model developed by Sibuet Watters and Masson (2010) and its implementation within the differential Navier-Stokes equations in the CFD program OpenFOAM is presented in this thesis.

The AS is an infinitely thin surface carrying velocity discontinuities tangent to the surface and an attached system of forces given by a Kutta-Joukowski relation that generate a pressure discontinuity normal to the surface. The AS can also be described as a porous vortex sheet that generates lift forces linked to its circulation characteristics. Using the finite volume method (FVM) in OpenFOAM, the AS has been implemented in two-dimensional and threedimensional applications.

The AS has been validated against cases where an analytical solution is available such as an infinite plane, a light loaded actuator disk and a 2D segment of velocity discontinuity. The AS is then applied to the study of a finite wing in translation, where it has been verified that the AS accurately predicts characteristics such as the induced angle which is compared with Prandtl’s lifting line theory. The final application is the study of a wind turbine where blade element analysis has been used to determine AS loading. In the case of the wind turbine, results have been compared with experimental measurements and it has been demonstrated that the AS is an appropriate method for turbine wake predictions, being able to model both near and far Wake characteristics.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree in mechanical engineering". Bibliographie : pages 95-97. Des fichiers dans une annexe.
Mots-clés libres: Éoliennes Aérodynamique. Air Écoulement Simulation par ordinateur. Sillage (Aérodynamique) Dynamique des fluides numérique. surface actuatrice, sillage turbillonnaire, CFD, OpenFOAM
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Masson, Christian
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 30 oct. 2014 15:52
Dernière modification: 30 oct. 2014 16:14
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1371

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