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Simulation de la couche limite atmosphérique sur un couvert forestier en terrain avec orographie

Ben Younes, Hajer (2016). Simulation de la couche limite atmosphérique sur un couvert forestier en terrain avec orographie. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le secteur éolien est en pleine expansion et la ressource éolienne n’est pas encore exploitée au maximum, d’où l’importance de mieux comprendre le comportement de la ressource vis-à-vis des changements climatiques et des changements de type de surface. Il existe plusieurs modèles pouvant reproduire adéquatement l’écoulement sur terrain d'orographie relativement simple, ou sur couverture forestière homogène horizontalement. Cependant, la complexité de l'orographie et l’hétérogénéité horizontale de la couverture forestière augmentent la complexité des phénomènes et l'intensité de la turbulence. Sur ce type de terrain, les modèles mathématiques deviennent moins précis et leurs solutions numériques nécessitent souvent d’énormes coûts de calcul. Dans le cadre de cette étude, seulement un état de stabilité neutre de la couche limite atmosphérique (CLA) est considéré. L’interaction de la ressource éolienne avec la forêt est examinée, en présence d’une orographie relativement complexe. La prédiction de l’écoulement de la CLA neutre en terrain avec orographie et couvert forestier présente plusieurs défis liés au coût numérique, au traitement des conditions aux frontières, ainsi qu’à l’adaptation de la calibration du modèle de turbulence.

Dans un premier temps, le modèle de simulation k-ε résolvant les équations de Navier-Stokes moyennées par la technique de Reynolds (RANS) est implanté sous OpenFOAM. Il a été démontré que ce modèle représente adéquatement l’écoulement proche de la paroi (couche de surface, CS) où l’écoulement est isotrope, mais qu’il ne peut reproduire adéquatement les caractéristiques de l’écoulement lorsqu’il est fortement non isotrope. Afin d’améliorer la prévision du vent en terrain avec orographie et couvert forestier, un modèle hybride composé du modèle de fermeture k-ε proche de la surface couplé à un modèle de grandes échelles (LES) plus loin de la paroi est proposé. Le modèle k-ε est utilisé comme modèle de fermeture de sous maille dans la région LES. Ce modèle hybride présente un compromis entre précision et temps de calcul.

Des simulations de la CLA sur terrain plat rugueux et sur couvert forestier homogène sont réalisées pour valider le modèle hybride proposé, déterminer ses limitations et identifier ses possibilités d'amélioration. Sur terrain plat rugueux, les résultats numériques montrent que le modèle k-ε utilisé par le modèle hybride proposé dans la région proche de la paroi prévoit convenablement la CS. Des erreurs numériques sont toutefois observées proche de la paroi. Le modèle hybride reproduit d’une façon réaliste l’écoulement, sauf dans la zone de transition entre les simulations de type RANS et de type LES. Sur terrain plat avec couvert forestier homogène horizontalement, le modèle hybride proposé reproduit les observations à l’intérieur de la forêt. Au-dessus de la forêt, les résultats du modèle hybride proposé est en accord qualitatif avec les mesures. Ensuite, les deux modèles ont été testés à l’aide de mesures en soufflerie sur une colline tridimensionnelle sans couvert forestier et sur une colline bidimensionnelle couverte par une forêt homogène horizontalement. Comparativement aux observations, le modèle hybride reproduit d’une façon adéquate l’écoulement de la CLA en terrain avec orographie et forêt, et ce, avec un niveau de précision assez élevé sans nécessiter d’énormes coûts numériques comme c'est généralement le cas pour les LES de CLA.

Titre traduit

Simulation of atmospheric boundary layer over forest in complex terrain

Résumé traduit

Today, wind energy industry is in full expansion. Wind resource is not yet completely exploited. Better understanding of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) behavior with respect to climate change and for different surface types is needed. Several models exist and can reproduce adequately the flow over terrain having a simple orography and horizontally homogenous forest cover. However, complex orography and forest horizontal heterogeneity increase turbulence intensity and complexity phenomena. For such type of terrain, mathematical models become less accurate and their numerical solutions typically require enormous computing costs. In this study, only a neutral stability state of the ABL is considered. The interaction between the ABL and the forest cover is examined over relatively complex orography. Neutral ABL over terrain with orography and forest cover prediction presents many challenges related to the computational costs, the wall treatment and the turbulence model calibration.

Initially, k-ε model which is solving the Reynolds averaged Navier-Stokes equations (RANS) is implemented in OpenFOAM. It has been illustrated that this model represents well the isotropic near-wall flow but finds difficulty in reproducing appropriately the flow characteristics when it is anisotropic. In order to improve wind flow prediction over terrain with orography and forest cover, a hybrid model combining the k-ε model near the surface and Large Eddy Simulation (LES) type of model away from the wall is proposed. In the LES region, the k-ε model is used to model subgrid scales. This hybrid model is a compromise between accuracy and computing time.

ABL simulations were undertaken in this work for the flow over rough-wall flat terrain and over flat terrain with horizontally homogenous forest to validate the proposed model, to determine its limitations and identify its possibility of improvement. On rough-wall flat terrain, numerical results show that the k-ε model use in the proposed hybrid model in the near wall region reproduce accurately the surface layer. However, numerical errors are observed near wall. The proposed hybrid model gives realistic prediction of the ABL. In addition, numerical results show that hybrid model gives realistic flow properties except in the transition region between the RANS-and LES- type of simulations. In the case of flat terrain with forest cover, the proposed model reproduces observations within the forest. Above forest, the proposed hybrid model results are in good qualitative agreement with measurements. The proposed hybrid model was compared with wind tunnel measurements over hill and two-dimensional hill with horizontally homogeneous forest. The numerical results show that the proposed hybrid model reproduces adequately and gives realistic prediction of the ABL flow over terrain with orography and forest cover. Many advantages are obtained when using a hybrid approach such as low computing costs for a relatively good level of accuracy.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 183-195.
Mots-clés libres: Couche limite (Météorologie) Dynamique des fluides Modèles mathématiques. Dynamique des fluides numérique Modèles mathématiques. Couvert forestier Dynamique des fluides Modèles mathématiques. Turbulence atmosphérique. Énergie éolienne Simulation par ordinateur. écoulement, orographie, vent, modèle hybride, terrain complexe, terrain forestier
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Madsen, Jens
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 mars 2017 14:21
Dernière modification: 14 mars 2017 14:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1832

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