Modèle hybride de surface active pour l’analyse du comportement aérodynamique des rotors éoliens à pales rigides ou déformables

Actuator surface hybrid model for aerodynamic analysis of flow trough wind turbine rotor with rigid or flexible blades

• Auteur / Autrice : Ivan Dobrev
• Direction : Fawaz Massouh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rotors (hélicoptères) -- Aérodynamique

Éoliennes

Modèles techniques

Résumé

Les travaux présentés ici portent sur l’exploration et la modélisation de l’écoulement à travers les rotors éoliens. Le but est de proposer un modèle hybride de surface active permettant de simuler rapidement l’écoulement et d’être intégrable dans un calcul de couplage fluide structure. Les travaux de modélisation sont accompagnés par des explorations à l’aide de la PIV et de l’anémométrie à fil chaud. Ces explorations d’écoulement autour d’une éolienne et autour des profils de pales en rotation, ainsi que le développement d’une méthode d’analyse de l’écoulement, ont permis de fournir les données nécessaires pour le calcul et notamment les caractéristiques 3D du profil en rotation. Les autres mesures réalisées ont servi comme base de données pour valider le modèle proposé. Dans les travaux de simulations, un nouveau modèle hybride, basé sur la surface active, est développé. Le calcul à l’aide du modèle proposé est un calcul itératif mené par un solveur d’équations de Navier-Stokes. Un logiciel spécifique est créé et intégré au solveur afin de déterminer les efforts appliqués sur les surfaces actives à chaque itération. Pour le calcul de puissance, les résultats du modèle sont comparés avec les données expérimentales issues des essais NREL Phase VI dans la soufflerie de la NASA Ames. En ce qui concerne les champs de vitesse autour des profils des pales et au travers du rotor, le calcul est comparé avec les données expérimentales obtenues dans le cadre de cette thèse, dans la soufflerie d’Arts et Métiers ParisTech. L’étude menée par la suite prouve que ce modèle est bien adapté pour l’étude des éoliennes à pales déformables où l’on doit tenir compte du couplage « fluide-structure ». Pour valider la méthode proposée pour l’étude des éoliennes à pales déformables, l’étude est faite dans le cas de l’éolienne NREL Phase VI. Les résultats de simulation sont comparés avec les données expérimentales et montrent la faisabilité et l’efficacité du modèle et de la méthode de couplage.

This work presents the exploration and modeling of flow past wind turbine rotor. The aim is to propose an actuator surface hybrid model to simulate rapidly the flow and also be coupled with structure solver for fluid structure interaction. Besides numerical simulation, the PIV and hot wire explorations are also carried out. These explorations of flow around the wind turbine and rotating blades airfoil have provided the data necessary to calculate 3D airfoil aerodynamic performance while in rotation. The results of these measurements are also used to validate the proposed model. The new actuator surface model is developed to model the flow around wind turbine rotor. To implement the proposed model, Navier-Stokes solver is used. Specific software is created and integrated into the solver to determine the forces applied on the blade surfaces after each iteration. The aerodynamic performance obtained by this hybrid model is compared with experimental data of NREL Phase VI obtained in wind tunnel at NASA Ames. Whereas, the velocity field around the blade airfoil and flow past the rotor are compared with experimental data obtained in this research work in the wind tunnel of Arts et Metiers ParisTech. Further research shows that this model is well suited for the study of flexible wind turbines blades, where it is needed to take into account the fluid-structure interaction. To validate the proposed method for the flexible blades, a study is also conducted for the case of the NREL Phase VI wind turbine. The simulation results are finally compared with experimental data which show the feasibility and effectiveness of the proposed model and the coupling method.