Étude de l’écoulement de la couche limite atmosphérique pour la modification du couvert forestier au voisinage d’une éolienne

Faurie, Emma (2021). Étude de l’écoulement de la couche limite atmosphérique pour la modification du couvert forestier au voisinage d’une éolienne. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Afin de mieux comprendre l’effet de la taille des déboisements et des caractéristiques de la forêt sur l’écoulement du vent, des simulations numériques 2D ont été réalisées à l’aide d’une approche RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes). Un modèle k – e modifié permettant de prendre en compte la traînée due à la végétation a été utilisé après avoir été validé par les expériences réalisées en soufflerie de deux auteurs. Une couche limite de surface horizontalement homogène (CLSHH) et neutre a été modélisée en entraînant l’écoulement à la fois par un gradient de pression et une contrainte de cisaillement et en utilisant des conditions aux limites originales en haut du domaine pour les quantités turbulentes. Le modèle a été validé à l’aide de mesures expérimentales de terrain. L’écoulement a été simulé au-dessus d’une forêt de référence reproduisant une forêt boréale typique contenant une zone de coupe d’une longueur variable comprise entre 1h à 100h. Les simulations ont été reproduites dans le cas de trois autres distributions de densité de surface foliaire (Leaf Area Density, LAD) et trois autres indices de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI) compris entre 2.5 à 10. En supposant qu’une éolienne d’environ 3MW était installée dans la zone déboisée, les variations spatiales de l’énergie disponible (E), du cisaillement moyen du vent (Average Wind Shear, AWS) et de l’énergie cinétique turbulente cumulée (cumulative Turbulente Kinetic Energy, cTKE) contenue dans la couche d’air balayée par les pâles ont été estimées à partir des simulations. Particulièrement, la distribution au-dessus du déboisement de leurs changements relatifs par rapport à une zone entièrement boisée a été étudiée. Trois hauteurs de moyeu ont été utilisées pour étudier l’influence de ce paramètre sur la distribution des variables. De manière inattendue, les résultats montrent que le déboisement dans la forêt ne génère pas nécessairement un gain d’énergie ni une réduction de cTKE ou d’AWS par rapport à une zone entièrement boisée, et l’agrandissement du déboisement n’améliore pas nécessairement ces variables. Pour les petites tailles de déboisement, environ 4h ou moins, la coupe n’a presque aucun effet. Les tailles "moyennes" (environ 10h à 40h) sont les moins adaptées, menant aux plus grandes réductions de E, et aux plus grandes augmentations de cTKE et d’AWS. En continuant d’agrandir le déboisement, on peut éventuellement réaugmenter progressivement E mais également l’AWS. L’augmentation de la hauteur du moyeu ne réduit pas les changements relatifs des variables par rapport à leur valeur de référence générés par le déboisement. Pour finir, l’augmentation de la densité de la forêt ainsi que l’augmentation de la répartition des feuilles au sommet des arbres intensifient l’effet du déboisement sur l’écoulement. Cependant les changements ne sont pas significatifs et la distribution des variables reste largement la même.

Titre traduit

Study of the atmospheric boundary layer flow for forest clearings around a wind turbine

Résumé traduit

To better understand the effect of the clearing size and the forest characteristics on the wind flow, two-dimensional numerical simulations have been performed with a Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) approach. A modified k – e model taking into account the forest drag was used after being validated against wind tunnel experiments from two authors. A neutrally stable horizontally homogeneous atmospheric surface layer has been modelled, driven both by a pressure gradient and a shear stress and using original top boundary conditions for the turbulent quantities, and validated against field measurements. Clearing sizes ranging from 1h to 100h were investigated with a reference forest representative of a typical boreal forest as well as with three other Leaf Area Density (LAD) distributions and three other Leaf Area Indexes (LAI) ranging from 2.5 to 10. Assuming that a wind turbine around 3MW was placed in the clearing, spatial variations of available wind Energy (E), Average Wind Shear (AWS) and Cumulative Turbulent Kinetic Energy (cTKE) in layers where the wind flow intersects with the swept area were estimated from the simulations. Three hub heights were used to investigate its influence on the distribution of the variables. Unexpectedly, the results show that the clearing in the forest does not necessarily generates a gain in E or a reduction of cTKE or AWS compared to a completely forested area, and enlarging the gap does not necessarily improve these variables. For small clearing sizes, around 4h or less, the clearing has almost no effect. "Medium" sizes (around 10h to 40h) are the least suitable, providing the greatest reductions in E, and the greatest increases in cTKE and AWS. Continuing to enlarge the clearing can eventually progressively increases E but also AWS. Increasing the hub height does not reduce the relative changes in the flow generated by the clearing. Although increasing forest density, as well as concentrating the LAD more at the top of the trees, does intensify the effect of the clearings, the changes are not significant and the distributions remain largely the same.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 83-91).
Mots-clés libres:	CFD, éolienne, forêt, déboisement, modèle de la canopé, couche limite atmosphérique, conditions aux limites
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Masson, Christian Tahan, Souheil-Antoine
Codirecteur:	Codirecteur Sumner, Jonathon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	21 déc. 2021 18:35
Dernière modification:	23 févr. 2022 19:07
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2821

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