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Étude numérique du sillage tourbillonnaire d'une éolienne

Sibuet Watters, Christophe (2008). Étude numérique du sillage tourbillonnaire d'une éolienne. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette thèse formalise le concept de la surface actuatrice (SA) et en présente l'implantation dans deux méthodes de mécanique des fluides assistée par ordinateur (CED) bidimensionnelle (2D) et tridimensionnelle (3D), la validation et l'apphcation au problème de modélisation du sillage tourbillonnaire d'une éolienne. Une SA est définie comme une nappe tourbillonnaire poreuse infiniment mince porteuse d'une intensité circulatoire reliée à des forces de portance ; par exemple, sa géométrie est celle d'une surface plane trapézoïdale s'il s'agit de modéliser une aile effilée. En termes cinétiques, une SA est associée à une discontinuité de vitesse tandis qu'en termes dynamiques, elle est associée à un système de forces dont la composante dans la direction normale à la SA résulte en une discontinuité de pression. Les principes d'élaboration de la SA sont basés sur l'analyse non visqueuse de l'écoulement et la relation entre circulation et portance : ils sont une généralisation des principes des disques actuateurs aux méthodes CED utilisant des distributions de forces à l'intérieur de volumes actuateurs, quand leur épaisseur tend vers zéro. Les méthodes CED utilisées pour analyser la SA sont des méthodes aux volumes finis adaptées pour prendre en compte la SA, puis appliquées à des problèmes 2D, axisymétriques et 3D. Le problème de l'aile infinie et du disque actuateur uniformément chargé ont permis de valider les méthodes avec des solutions analytiques. L'étude de l'aile effilée a permis de démontrer que les prévisions sont conformes aux modèles classiques en termes d'induction tourbillonnaire du sillage et de traînée et d'angles induits, en plus de fournir des jalons importants pour modéliser le rotor d'une éolienne par une SA en rotation, en mettant en valeur la discrétisation minimale nécessaire, ainsi que l'importance de disposer d'un schéma de convection d'ordre supérieur. L'aérodynamique d'une éolienne est analysée par des SA en rotation ou par des SA prenant la forme d'un disque actuateur, dont le chargement est déterminé par la théorie de l'élément de pale. Les résultats produits par les méthodes mises au point sont comparés avec un modèle intégral de quantité de mouvement et un modèle tourbillonnaire, ainsi qu'avec des données expérimentales. Les résultats d'analyse appliqués à deux éoliennes expérimentales montrent que le concept de SA est approprié pour modéliser l'aérodynamique du rotor d'une éolienne, dominée par l'influence du système tourbillonnaire qui existe dans le plan du rotor et dans l'écoulement aval.

Titre traduit

Numerical study of the wind turbine vortical wake

Résumé traduit

In this thesis, we formalize the concept of the actuator surface (AS) and present its implementation within a two-dimensional (2D) and a three-dimensional (3D) Computational-Fluid Dynamics Method (CED), its validation and its application to the study of the wind turbine vortical wake aerodynamics. An actuator surface is defined as an infinitely thin, porous vortex sheet whose circulation properties are linked to the generation of lift forces. For the study of the tapered wing for example, the AS geometry is defined as the planform area of the wing. In terms of kinetics, the AS is a surface of velocity discontinuity while in terms of dynamics, its action on the flow is achieved through an attached system of forces given by a Kutta-Jukowski-type relation. Normal to the surface, this system of forces results in a pressure discontinuity. The AS concept allows to generalize the principles pertaining to actuator disk theory to CFD models that use forces distributed over volumes, when the volume thickness tends to zero. The CFD methods used are control-volume, finite-element methods which have been adapted to implement the AS and validated over simple problems for which analytical solutions exist. Blade-element analysis is used to prescribe the AS loading. The study of the finite tapered wing in translation has demonstrated that the method predicts induced drag and angles in agreement with the classic Prandtl lifing line model, and has provided with guidelines regarding discretization for the study of the AS in rotation to model wind turbine aerodynamics. In addition to rotating AS, disk-shaped AS are used to model wind turbine aerodynamics according to actuator-disk theory. Results are compared with a classic blade-element momentum model, a vortex model and experimental measurements. They show that the concept of the actuator surface is appropriate to model wind turbine rotor aerodynamics, which is dominated by the influence of the lifting system of the blades vortex sheets and by the shedded vortical wake.

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. 163-165.
Mots-clés libres: Éoliennes. Tourbillons (Mécanique des fluides) Modèles mathématiques. actuateur, axisymetrique, methode, surface
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 11 août 2010 13:13
Dernière modification: 21 déc. 2016 00:00
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/161

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