Analyse et optimisation des performances de turbines à axe vertical et flux transverse par simulations numériques

Performance analysis and improvement of vertical-axis and cross-flow turbines with numerical simulations

• Auteur / Autrice : Matthieu Guilbot
• Direction : Guillaume Balarac, Stéphane Barre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique,
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Aubrun-Sanches
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Goncalves, Dominique Thévenin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Turbine à axe vertical

Modélisation de la turbulence

Simulations des grandes échelles

Simulations URANS

Performances

Optimisation

Vertical-Axis turbine

Turbulence modelling

Large-Eddy simulations

URANS simulations

Performances

Optimization

Résumé

Dans un monde où la demande énergétique ne cesse de croître, les énergies marines renouvelables, tels que l’hydrolien ou l’éolien off-shore, apparaissent comme des solutions alternatives « vertes » aux énergies fossiles. La compétitivité de ces filières industrielles dépend notamment de développements visant à accroitre les performances globales des machines. Des innovations technologiques portant sur le design des convertisseurs d’énergie ont ainsi vu le jour notamment avec l’essor nouveau des turbines à axe vertical (VAT). Cette thèse s’articule donc autour de l’analyse et l’optimisation des performances d’une turbine à axe vertical et flux transverse par voie numérique. Le caractère fortement instationnaire et turbulent des écoulements au sein d’une VAT rend leur modélisation complexe. Ainsi, plusieurs approches numériques, avec des modélisations de la turbulence distinctes, ont été mises en œuvre afin d’évaluer les performances d’une VAT. Des simulations statistiques de type URANS sous OpenFoam ainsi que des Simulations des Grandes Echelles (SGE) avec le code YALES2 ont été réalisées. Deux voies de recherche portant sur l’amélioration du design de configurations de VAT ont alors été investiguées. Dans un premier temps, une configuration mono-rotor a été optimisée à l’aide de SGE en étudiant deux géométries de rotors spécifiques : un rotor « classique » de type H et un rotor « innovant ». Cette étude a permis de mieux comprendre la dynamique globale de l’écoulement au sein d’une VAT en fonction du régime d’écoulement considéré. A l’aide d’une analyse locale des pertes, l’écart de performances entre ces deux rotors a pu être quantifié. Un bon accord avec les observations expérimentales a été trouvé avec notamment un gain du rotor innovant d’environ +30 % sur le coefficient de puissance (Cp). Dans un second temps, plusieurs configurations bi-rotor constituées chacune de deux rotors contra-rotatifs ont été optimisées via des simulations URANS. Différents paramètres géométriques (distance inter-axes, sens de contra-rotation, mât central) ont été testés afin de maximiser la puissance totale extraite par la machine. Un effet de « synergie » bénéfique a été observé en configuration bi-rotor conduisant à des gains de Cp de l’ordre de +10 % par rapport à une VAT mono-rotor. Une analyse fine de l’écoulement a permis notamment de lier le sens de rotation optimum à la solidité des turbines. Ce travail, mené en collaboration avec l’entreprise HydroQuest, a donc conduit à une optimisation locale des performances, en modifiant directement le design d'un rotor, et une amélioration plus globale sur des configurations double-rotors tendant vers l'optimisation d'un parc hydrolien/éolien.

In a world where the energy demand continues to grow, renewable marine energies, such as tidal power or offshore wind energy, appear as "green" alternative solutions to fossil fuels. The competitiveness of these industrial sectors depends on further development in order to enhance the global performances of machines. Technological innovations in the design of energy converters thus emerged, particularly with the recent renewed interest of vertical-axis turbines (VAT). This thesis therefore focuses on the analysis and optimization of the performances of a vertical-axis and cross-flow turbine by means of numerical simulations. The highly unsteady and turbulent nature of the flows involved inside a VAT makes their modeling complex. Thus, several numerical methods, with distinct turbulence approaches, have been used in order to evaluate the VAT performances. URANS simulations and Large-Eddy Simulations (LES) have been performed with OpenFoam and YALES2, respectively. To improve the VAT design, two lines of research were investigated. Initially, a single-rotor configuration was optimized using LES by studying two specific rotor geometries: a « classic » H-shape rotor and an « innovative » rotor. This study provided a better understanding of the overall flow dynamics within a VAT according to the flow regime. Thanks to a local loss analysis, the performances gap between both rotors was quantified. A good agreement with experimental observations was found, in particular a gain of the « innovative » rotor of about + 30% on the power coefficient (Cp).Secondly, several double-rotor configurations, each consisting of two counter-rotating rotors, were optimized through URANS simulations. Various geometric parameters (inter-axis distance, counter-rotational direction, central mast) were tested in order to maximize the total power extracted by the machine. A beneficial "synergy" effect was observed in twin-rotor configuration leading to a power gain of around + 10% compared to a single-rotor VAT. A detailed flow analysis linked the optimal counter-direction with the turbine solidity.This work, carried out in collaboration with the HydroQuest company, has then led to a local performance optimization, by directly modifying the design of the rotor, and a more global enhancement on double-rotor configurations tending towards the optimization of a tidal/wind farm.