Identification expérimentale des sources acoustiques à l'origine du bruit de décrochage d'un profil de pale d'éolienne

Experimental identification of the acoustic sources at the origin of wind turbine blade stall noise

• Auteur / Autrice : Lisa Sicard
• Direction : Romain Monchaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1741 -....)
• Jury : Président / Présidente : Lutz Lesshafft
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Monchaux, Régis Marchiano, Nicolas Mazellier, Benjamin Cotté, Benjamin Leclaire, John Christos Vassilicos, Karen Mulleners
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régis Marchiano, Nicolas Mazellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Bruit aérodynamique

Profils aérodynamiques

Mots clés libres

Eoliennes

Aéroacoustique

Décrochage dynamique

Wind turbines

Aeroacoustics

Dynamic stall

Résumé

Sous l'impulsion de la stratégie nationale bas carbone, le nombre d'implantations d'éoliennes terrestres en France ne cesse d'augmenter depuis 2010. Une des répercussions contrariantes pour l'humain de cette multiplication des éoliennes terrestres est le bruit induit par le fonctionnement des éoliennes. En effet, le bruit éolien représente une gêne sonore se révélant plus incommodante pour les riverains que la pollution acoustique urbaine habituelle telle que le trafic routier ou aérien. Le bruit éolien est communément décrit comme un chuintement facilement détectable et gênant à des niveaux sonores pourtant relativement faibles. Cette caractéristique a été expliquée par la nature particulière de son signal acoustique qui présente des fluctuations temporelles d'intensité. Deux mécanismes aérodynamiques sont à l'origine de cette modulation d'amplitude de bruit : l'interaction des structures turbulentes dans la couche limite des pales avec le bord de fuite de chaque section, générant un bruit appelé bruit de bord de fuite, et le décollement de la couche limite des pales produisant le bruit de décrochage dynamique. Bien que ces phénomènes aient été identifiés, la compréhension du mécanisme à l'origine de la génération de bruit par le décollement de la couche limite reste encore imprécise. Ainsi, dans le cadre du projet ANR PIBE (Prévoir l'Impact du Bruit des Éoliennes) visant à améliorer les méthodes de prévision de l'impact sonore des éoliennes, cette thèse propose d'identifier les structures aérodynamiques à l'origine du bruit de décrochage à la fois en condition statique et dynamique pour un profil aérodynamique de géométrie similaire aux pales d'éoliennes. Dans ce but, deux expériences ont été réalisées au sein de la soufflerie anéchoïque de l'école centrale de Lyon pour un profil NACA633418. Une première expérience de mesures synchronisées de pression pariétales bidimensionnelles à mi-envergure et de microphone en champ lointain a permis de révéler les conditions d'apparition et les caractéristiques spectrales du bruit généré lors du décrochage en condition statique et en condition dynamique lorsque le profil est soumis à un mouvement de tangage sinusoïdal. L'influence de la fréquence et de l'amplitude d'oscillation a également été identifiée. Trois régimes de bruit ont alors été identifiés lors du décrochage statique et quasi-statique : le bruit de séparation, le bruit de décrochage léger et le bruit de décrochage profond. Une seconde expérience de vélocimétrie par imagerie de particules résolue en temps synchronisée avec des mesures acoustiques a ensuite été réalisée afin d'identifier les structures aérodynamiques cohérentes à l'origine de ces bruits. Par le développement d'un protocole d'analyse comprenant l'application d'une méthode de décomposition modale spectrale (SPOD) et le calcul de corrélations croisées entre les mesures aérodynamiques et acoustiques, il a été identifié que le bruit de décrochage profond est induit par la génération et la convection d'un tourbillon de von Kármán de grande échelle. L'analyse en condition dynamique a mis en évidence que le protocole d'analyse présentait des défis supplémentaires nécessitant une investigation approfondie. Néanmoins, les différences entre les caractéristiques aérodynamiques et acoustiques des régimes quasi-statique et dynamique du profil en mouvement de tangage ont tout de même pu être identifiées.

In response to the national low-carbon strategy, the number of onshore wind turbine installations in France has been steadily increasing since 2010. One of the challenging consequences for humans of this proliferation of onshore wind turbines is the noise generated by their operation. Wind turbine noise represents a sound nuisance that can be more bothersome for nearby residents than typical urban noise pollution, such as traffic or aircraft noise. Wind turbine noise is commonly described as a noticeable and irritating whooshing sound, even at relatively low sound levels. This characteristic has been attributed to the unique temporal fluctuations in its acoustic signal. Two aerodynamic mechanisms contribute to this amplitude modulation of noise: the interaction of turbulent structures in the blade boundary layer with the trailing edge of each section, generating a noise known as trailing-edge noise, and the separation of the blade boundary layer, producing dynamic stall noise. While these phenomena have been identified, the understanding of the mechanism behind the noise generation due to boundary layer separation remains imprecise. Therefore, as part of the ANR PIBE project (Predicting the Impact of Wind Turbine Noise), aimed at improving methods for predicting the acoustic impact of wind turbines, this thesis seeks to identify the aerodynamic structures responsible for dynamic stall noise under both static and dynamic conditions for an airfoil profile with similar geometry to wind turbine blades. To achieve this, two experiments were conducted in the anechoic wind tunnel at the École Centrale de Lyon using a NACA633418 airfoil profile. The first experiment involved synchronized two-dimensional wall pressure measurements at mid-span and far-field microphone measurements. It revealed the conditions and spectral characteristics of the noise generated during static stall and dynamic stall when the profile was subjected to sinusoidal pitch motion. The influence of pitch oscillation frequency and amplitude was also identified. Three noise regimes were identified during static and quasi-static stall: separation noise, light stall noise, and deep stall noise. The second experiment involved time-resolved particle image velocimetry synchronized with acoustic measurements to identify the coherent aerodynamic structures responsible for these noises. By developing an analysis protocol that included spectral proper orthogonal decomposition (SPOD) and cross-correlation calculations between aerodynamic and acoustic measurements, it was found that deep stall noise is induced by the generation and convection of a large-scale von Kármán vortex. The analysis under dynamic conditions highlighted additional challenges in the analysis protocol, although differences between the aerodynamic and acoustic characteristics of quasi-static and dynamic stall regimes of the pitching airfoil were still identified.