Simulations de sillages d'éoliennes en conditions atmosphériques réelles : des simulations aux grandes échelles aux modèles analytiqueS

Simulations of wind turbine wakes in realistic atmospheric conditions : from large eddy simulations to analytical models.

• Auteur / Autrice : Erwan Jézéquel
• Direction : Valéry Masson, Frédéric Blondel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 19/10/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'étude de l'atmosphère météorologique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Redelsperger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valéry Masson, Frédéric Blondel, Jean-Luc Redelsperger, Sandrine Aubrun-Sanches, Majid Bastankhah, Johan Meyers, Laurent Beaudet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Aubrun-Sanches, Majid Bastankhah, Johan Meyers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Haute fidélité

Météorologie -- Recherche

Couche limite (météorologie)

Mots clés libres

Eoliennes

Sillages

Simulations aux grandes échelles

Modèle analytique

Couche limite atmosphérique

Meso-Nh

Stabilité atmosphérique

Wind turbine

Wakes

Large eddy simulations

Analytical model

Atmospheric boundary layer

Meso-NH

Atmospheric stability

Résumé

Les éoliennes sont souvent regroupées en parcs où elles sont sujettes aux sillages des rotors en amont. Les sillages d’éoliennes sont des régions où la vitesse du vent est réduite et la turbulence (les variations de vent) est augmentée, ce qui induit respectivement une baisse de la production et de la durée de vie du parc, résultant au final en un coût de l'électricité plus élevé.La disposition des parcs doit donc être optimisée en prenant les sillages en compte pour rendre leur production plus efficace. Comme les études d'optimisation demandent d'étudier de nombreux cas, les modèles analytiques statiques ont été développés pour donner rapidement les caractéristiques d'un sillage, et estimer les perturbations engendrées sur les rotors qui en découlent.De plus, les sillages d'éoliennes interagissent avec la couche limite atmosphérique (CLA). Selon la stabilité de l’atmosphère, des structures turbulentes de grande échelle sont créées dans la CLA qui induisent des déplacements à basse fréquence du sillage. Ce phénomène, appelé méandrement, modifie les propriétés du sillage moyen, mais est rarement pris en compte explicitement dans les modèles statiques. Ce travail de thèse vise à mieux comprendre et modéliser les interactions entre les sillages et la CLA, en se basant sur des simulations haute-fidélité.La première partie du manuscrit est dédiée à un état de l'art. On commence par décrire les principes de la météorologie, sur lesquels se base le reste de ce travail. Puis, une revue de la littérature sur les sillages et leurs interactions avec la CLA est faite. On y détaille aussi les principaux modèles de sillages, statiques et pour le méandrement. Cette partie se termine sur une description du code haute-fidélité utilisé, Meso-NH, ainsi que de la paramétrisation de la turbine.Dans la deuxième partie, nous nous focalisons sur ces simulations haute-fidélité. Meso-NH est d'abord validé par rapport à des codes équivalents de la communauté pour trois cas de stabilité : neutre, stable et instable. Après une étude comparative de différentes méthodes de post-traitement, une analyse physique approfondie des sillages pour les trois cas est proposée. Il est conclu que la stabilité atmosphérique impacte surtout le méandrement de sillage et assez peu son expansion, qui est plutôt attribuée au fonctionnement du rotor.La troisième partie part de cette conclusion. La turbulence et la vitesse du vent sont séparées en plusieurs termes qui sont associés au méandrement, à l'expansion du sillage ou aux deux. Ces termes sont comparés pour les différents cas de stabilité et un modèle est proposé pour ceux qui sontprépondérants. Il en résulte un nouveau modèle analytique statique pour la vitesse et la turbulence qui prend indépendamment en compte le méandrement et l'expansion du sillage.Cette thèse a donc permis de présenter et d'analyser de nouveaux résultats qui améliorent notre compréhension de l’interaction des sillages et de la CLA, et de proposer un nouveau modèle statique qui prend en compte le méandrement.

Wind turbines are often clustered in wind farms where they are subject to the wakes emitted by the upstream rotors. Wind turbine wakes are regions of decreased wind velocity and increased turbulence (velocity variations), that respectively lead to a loss of production and a decreased life expectancy, in the end increasing the cost of wind power. The wind farm layouts must thus be optimised by taking wakes into account to make the wind power more efficient. Since optimisation studies require a lot of simulations, steady analytical models have been developed to quickly provide an estimation of the velocity and turbulence in the wake of a wind turbine and compute the effect on the downstream rotor. Moreover, wind turbine wakes interact with the atmospheric boundary layer (ABL). Depending on the atmospheric stability, large-scale turbulent motions are created in the ABL that induce low-frequency displacements of the wake. This phenomenon, called meandering, modifies the mean wake properties but is rarely taken into account explicitly in steady analytical models. The present work aims at better understanding and modelling the interactions between wind turbine wakes and the ABL, based on high-fidelity numerical simulations. The first part of the manuscript is dedicated to the state-of-the-art. It starts by describing the general fluid dynamic and meteorological concepts on which are based the whole work. Then, we propose a literature review of the wakes and their interactions with the ABL. We also describe the existing steady analytical and the models for wake meandering. This part ends with a description of our high-fidelity code, Meso-NH, as well as the chosen parametrisation for the turbine. In the second part, we focus on the high-fidelity simulations. A validation of Meso-NH against other equivalent codes of the community is performed, for three cases of atmospheric stability: neutral, stable and unstable. After a comparative study of different post-processing methods, an in-depth physical analysis of the wakes under these three conditions is proposed. We concluded that atmospheric stability mainly affects the wake meandering, and not the wake expansion which is attributed to the operating conditions. The third part is based on this result. We separate the turbulence and velocity fields into different terms that can be associated to meandering, wake expansion, or both. These terms are compared for the different cases and a model is proposed for the preponderant ones. It results in anew steady analytical model for velocity and turbulence that independently takes into account wake expansion and meandering. This thesis thus presented and analysed new results that enhance our understanding of the behaviour of wakes in the ABL, and proposed a new steady model that allows taking into account wake meandering.