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Analyse aérodynamique des parcs éoliens immergés dans une couche limite terrestre ayant différentes conditions de stabilité thermique

Alinot, Cédric (2003). Analyse aérodynamique des parcs éoliens immergés dans une couche limite terrestre ayant différentes conditions de stabilité thermique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce travail présente une méthode numérique pour les prédictions des performances d'un parc éolien immergé dans une couche limite atmosphérique ayant différentes conditions de stratification thermique. L'écoulement autour de l'éolienne est représenté par les équations tridimensionnelles incompressibles stationnaires de Navier-Stokes, moyennées dans le temps par la procédure de Reynolds, couplées avec le modèle de turbulence k-epsilon. Les variations de densité sont introduites en utilisant l'approximation de Boussinesq et les termes de flottaison appropriés sont inclus dans les équations de k et epsilon. Une expression originale du coefficient de fermeture relatif au terme de production de turbulence due aux forces d'Archimède est proposée afin d'améliorer la précision des simulations. L'éolienne est représentée par le concept du disque actuateur. Par conséquent, l'action des pales sur le fluide est modélisée en introduisant des forces externes moyennées dans le temps dans les équations intégrales de quantité de mouvement. Ces forces externes sont évaluées en utilisant la théorie de l'élément de pale. Cette théorie utilise les coefficients aérodynamiques bidimentionnels déterminés expérimentalement. De ce fait, les effets tridimensionnels et de rotation ne sont pas pris en compte. Une sous-estimation de la puissance à haute vitesse est alors observée. Pour tenir compte de ces effets, un modèle de délai du décrochage a été sélectionné et implanté. Le modèle mathématique en résultant a ensuite été implanté dans le logiciel FLUENT.

Les résultats obtenus montrent l'influence des différents schémas d'interpolation de la pression sur la prédiction des performances d'une éolienne. De plus, les différentes comparaisons montrent que la représentation de l'éolienne proposée dans cette thèse et implantée dans FLUENT est appropriée avec des prédictions en puissance en accord avec celles trouvées dans la littérature. D'autre part, les simulations montrent la pertinence des modifications apportées aux coefficients de fermeture du modèle de turbulence k-epsilon. Finalement, les résultats indiquent que le déficit de vitesse dans le sillage d'une éolienne est plus important en condition de stratification thermique stable qu'en condition de stabilité thermique instable, entraînant une variation importante des performances d'une éolienne placée dans le sillage direct d'une autre. L'évolution du déficit de vitesse simulé varie comme une fonction de..., ce qui est en accord avec les résultats expérimentaux.

Titre traduit

Aerodynamic analysis of wind park operating in atmospheric boundary layer with various thermal stratifications

Résumé traduit

For the 5 last years, the world wind production has been in full growth and numerous specialists considers wind energy as being that which will know the largest growth rate during next years with on average a progression of 14% (compared to 0.6% for the hydraulic power). These forecasts are based on the growth rate of the wind power of these 3 last years which is about 25% and on the protocol of KYOTO (1997) aiming to the improvement of the quality of the air. In Quebec, the wind potential is considerable, it represents between 60% and 80% of the Canadian wind potential and complements perfectly the hydroelectricity.

The current tendency for the construction of wind parks consists in using machines of average power and arranging them in such manner that they generate the maximum of energy. However, according to the location of the park, the weather conditions will have a significant impact on the performances. The main object of this thesis consists in developing a wind module having as platform a recognized commercial software, like FLUENT, making it possible to study the influence of the atmospheric boundary layer thermal stratification on wind park performances.

This work presents a numerical method for performance predictions of wind turbines immersed into stable, neutral, or unstable atmospheric boundary layer. The flowfield around a turbine is described by the three-dimensional Reynolds' averaged Navier-Stokes equations complemented by the k-E turbulence model. The density variations are introduced into the momentum equation using the Boussinesq approximation and appropriate buoyancy terms are included into the k and E equations. An original expression for the closure coefficient related to the buoyancy production term is proposed in order to improve the accuracy of the simulations. The turbine is idealized as actuator disk surface, on which external surficial forces exerted by the turbine blade on the flow are prescribed according to the blade element theory. This theory uses the experimental two-dimensional airfoil aerodynamics properties coefficients. Therefore, three-dimensional and rotational effects are not taken into account. That induce an underprediction of the power output at high speed. To take into account of these effects, a stail-delay model has been selected and implemented. The resulting mathematical model has been then implemented in the FLUENT software.

In order to demonstrate the validity of the mathematical model suggested, three implementations were realized : (i) an axisymmetric formulation for the representation of an isolated wind turbine, (ii) a Cartesian two-dimensional formulation for the modeling of the atmospheric boundary layer, and (iii) a Cartesian three-dimensional formulation for the representation of a wind park immersed in an atmospheric boundary layer. Comparisons between experimental measurements and the results produced by the proposed method for the power generation and the wake development under various thermal stability conditions were carried out. Moreover, comparisons between the empirical relations based on the Monin-Obukhov similarity theory and the solutions of the atmospheric boundary layer predicted by the proposed method were carried out. The results obtained show the effects of the pressure interpolation schemes on the performance predictions of a wind turbine. Moreover, the various comparisons show that the representation of the wind turbine proposed in this thesis and implemented in FLUENT is adapted for power predictions in agreement with those found in the literature. In addition, simulations show the relevance of the modifications made to the closure coefficients of the k-E turbulence model, i.e. the development of an original expression for the closure coefficient relative to the turbulence production term due to the buoyancy forces. Finally, the results indicate that the velocity defect in the wake of a wind turbine is more significant in stable than in unstable thermal stability condition, involving a significant variation of the performances of a wind turbine placed in the direct wake of another. However, the velocity defect calculated is largely under estimated compared to certain observations. On the other hand, the evolution of the simulated velocity defect varies as a function of..., a what is in agreement with the experimental results. The whole of these results brought to the publication of 3 conference articles. Moreover, the wind module developed and implemented in FLUENT has been used by other researchers involving the publication of 1 conference article.

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". La numérotation de cet ouvrage est erronée. Bibliogr.: f. [167]-175.
Mots-clés libres: Aerodynamique, Analyse, Atmospherique, Couche, Ecoulement, Eolien, Eolienne, Fluent, Immerge, Limite, Mathematique, Methode, Modele, Numerique, Parc, Performance, Stabilite, Stratification, Terrestre, Thermique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 mai 2011 14:20
Dernière modification: 14 oct. 2016 20:23
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/747

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