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Modélisation de l'écoulement autour de mâts météorologiques tubulaires et en treillis

Tusch, Matthieu (2010). Modélisation de l'écoulement autour de mâts météorologiques tubulaires et en treillis. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Avant d’installer des aérogénérateurs sur un site donné, il convient de faire une campagne de mesure fiable et précise. Ceci se fait en installer des mâts météorologiques sur les sites à fort potentiel, pour mesurer la vitesse et la direction du vent (ainsi que d’autre paramètres pertinents) pendant une période suffisamment représentative, à savoir au moins un an. Ces mesures doivent être précises et l’incertitude associée à celles-ci doit être minimisée. Une des sources d’erreur est la présence du mât, qui perturbe localement l’écoulement et va, suivant la position de l’anémomètre par rapport au vent et au mât, accélérer ou décélérer le vent. Il existe principalement deux documents donnant des conseils de montage permettant de limiter cet effet, et de quantifier l’incertitude résiduelle, à savoir les recommandations de l’IEA et la norme IEC-61400-121 annexe G. Cependant, ces documents sont basés sur des simulations de l’écoulement laminaire autour de mats de mesure, alors que le vent est souvent très turbulent. Ensuite, la direction du vent n’est pas intégrée dans le calcul de l’incertitude associée à l’effet du mat de mesure. Une étude menée par deux chercheurs d’AWS Truewind fait état de lacunes de ces documents, venant notamment du fait de l’utilisation d’un modèle laminaire.

Le but de ce projet est donc de modéliser l’écoulement turbulent autour de mats météorologiques tubulaires et en treillis et de développer des outils informatiques permettant le positionnement optimal des bras instrumentés, ainsi que la quantification de l’incertitude résiduelle, en intégrant la direction du vent. Pour ce faire, un modèle numérique bidimensionnel a été développé. Il utilise le modèle de turbulence SST avec constantes modifiées et termes sources ajoutés, afin de mieux représenter les écoulements atmosphériques. À partir des résultats des simulations (effectuées sous ANSYS-CFX 11.0), les outils informatiques mentionnés plus haut ont été développés sur le logiciel MATLAB R2007b.

Les résultats numériques issus du modèle développé dans la cadre de ce travail sont en très bon accord avec les données expérimentales, principalement hors du sillage. Cependant les modifications apportées (constantes et termes sources) au modèle de turbulence SST ont un effet assez marginal si on s’intéresse au profil de vitesse adimensionnelle à plusieurs diamètres ou longueur L du mat. Ensuite, il apparait que l’hypothèse d’un écoulement laminaire utilisée dans les recommandations de l’IEA et la norme IEC 61400-121 annexe G, conduit à une sous-estimation de la distorsion due au mat de mesure.

La méthode de calcul de l’incertitude proposée dans le cadre de travail donne des résultats plus conservatifs que ceux obtenus avec la méthode proposée par les recommandations de l’IEA et la norme IEC-61400-121 annexe G. Ceci provient du fait que les résultats numériques utilisés dans les recommandations de l’IEA et la norme IEC 61400-121 annexe G donnent des valeurs de distorsions plus faibles que celle issues du modèle développé dans le cadre de ce travail, ceci à cause de l’utilisation de l’hypothèse d’un régime laminaire.

Enfin, la méthode de calcul de l’incertitude développée dans ce travail intègre la direction du vent et la position des bras instrumentés, et permet de capter l’effet d’un mauvais positionnement des bras instrumentés sur la mesure du vent.

Titre traduit

Modeling of the flow around tubular and lattice meteorological masts

Résumé traduit

Before installing wind turbines on a specific site, it is appropriate to make a precise and reliable wind measurement campaign. This is achieved by installing meteorological masts on high potential sites to measure the wind velocity and direction (and other pertinent parameters) during a representative period, generally a year. These measurements must be done precisely, and the associate uncertainty must be minimized. A source of error is the presence of the mast, which perturbs locally the wind flow. Depending of the position of the anemometer according to the mast and the wind direction, the wind will be accelerated or decelerated, inducing measurement error. Two documents (the norm IEC 61400-121 annex G and the IEA recommendations) give mounting advices to minimize the effect from the mast and to quantify residual uncertainty. However, they are based on laminar simulations of the flow around the meteorological mast, while wind is often very turbulent. A study led by two researchers of AWS Truewind suggests that IEA and IEC documents experience significant lacks in precision, because of the laminar aspect of the simulations used.

The purpose of this project is to model the flow around tubular and lattice meteorological masts with a turbulent model, and to develop informatics tools to position optimally the booms and to quantify the residual uncertainty, integrating wind direction. To achieve this objective, a two-dimensional numerical model has been developed. It is based on the SST turbulent model with modified constants and added sources terms, to better represent the atmospheric flows. From the numerical results obtained with ANSYS-CFX 11.0, the informatics tools mentioned above have been developed on MATLAB R2007b.

The numerical results are in good agreement with the experimental data, mainly out of the wake. However, the modifications to the SST turbulence model (constants and source terms) have a marginal effect if we focus on the non-dimensional velocity profile at several diameters D or lengths L of the mast. Then, the hypothesis of a laminar flow used in the IEA recommendations and the IEC 61400-121 annex G norm, leads to an underestimation of the flow distortion due to the meteorological mast.

The proposed uncertainty calculation method gives more conservatives results than those of the IEA recommendations and the IEC-61400-121 annex G norm. This finding comes from the use of a laminar modeling in the IEA recommendations and the IEC 61400-121 annex G, which gives smaller values of velocity distortion than those from the model developed in this work. Finally, the proposed uncertainty calculation method takes the wind direction and the booms positions into account, and is able to detect the effect of a non-correctly mounted mast on the wind measurement.

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. [130]-131.
Mots-clés libres: Vents Mesure Modèles mathématiques. distorsion, énergie, éolienne, incertitude, mât, météorologique, mesure, numériques, simulations, vent, vitesse
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 24 août 2010 13:34
Dernière modification: 15 févr. 2017 00:43
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/291

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