Dynamique des structures cohérente sur une pale d’éolienne

Dynamics of coherent structures over wind turbine blade

• Auteur / Autrice : Majd Armaly
• Direction : Armelle Cessou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 21/02/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Foucaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaële Perret, Luminita Danaila, Bertrand Lecordier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Mazellier, Ludovic Chatellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne

Sillage (aérodynamique)

Transfert d'énergie

Sillage (dynamique des fluides)

Turbulence de sillage

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Énergie renouvelable

Sillages turbulents

Structures de sillage

Énergie cinétique turbulente

Échange d'énergie de structures périodiques (cohérentes) et non périodiques (aléatoires)

Renewable energy

Turbulent wakes

Wake structures

Turbulent Kinetic Energy

Energy exchange of periodic (Coherent) and non periodic (Random) structures

Résumé

L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer quantitativement le comportement dynamique de l’écoulement d’air turbulent autour d’un profil aérodynamique NACA en fonction de l’écoulement en amont. L’écoulement en amont est constitué d’une famille de structures cohérentes, chacune ayant ses propres échelles temporelles et spatiales. En outre, cet écoulement en amont peut inclure un cisaillement moyen dû à une couche limite à grande échelle. Ces situations se rencontrent couramment dans les parcs d’éoliennes et de turbines marines, où le sillage généré par une turbine devient l’écoulement en amont de la suivante, et où la couche limite atmosphérique peut influencer la dynamique de l’écoulement de l’air du profil aérodynamique. La recherche aérodynamique sur les éoliennes s’est principalement concentrée sur la réponse générale des profils aérodynamiques et sur l’écoulement en aval. Cependant, les profils aérodynamiques ne sont pas encore pris en compte dans un écoulement en amont avec la présence d’une famille de structures cohérentes. Cette étude prend en compte les aspects spatiaux et temporels, ce qui est crucial pour comprendre comment l’énergie cinétique transportée par ces mouvements cohérents est capturée dans le sillage. La nouveauté du projet est de fournir une analyse complémentaire et plus détaillée des interactions entre le profil aérodynamique et l’écoulement en amont, basée sur l’analyse de l’intermittence des conditions en amont. Cela permet de mieux comprendre la réponse dynamique de l’aile en aval et la distribution de l’énergie cinétique sur l’aile. Pour atteindre cet objectif, les distributions de pression (structures cohérentes) doivent être moyennées en phase avec un conditionnement basé sur la dynamique du flux en amont. Ce type d’analyse représente une nouvelle approche et nécessite le développement de méthodes spécialisées à appliquer à des cas complexes. L’un des principaux domaines d’investigation du projet est l’étude de l’énergie cinétique turbulente totale (TKE) lorsque les paquets de structures cohérentes en amont interagissent avec le profil aérodynamique en aval. En outre, d’autres recherches peuvent être menées sur l’énergie cinétique turbulente, en considérant les interactions entre les différentes composantes des fluctuations, telles que les interactions entre le mouvement cohérent et le mouvement aléatoire. Ce travail de thèse est intégré dans le cadre du projet DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) qui est financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le projet est une recherche collaborative associant quatre laboratoires français.

The primary objective of the thesis is to quantitatively assess the dynamic behavior of turbulent airflow around a NACA airfoil as a function of the upstream flow. The upstream flow consists of a family of coherent structures, each with its own distinct temporal and spatial scales. Additionally, this upstream flow may include a mean shear due to a large scale boundary layer. These situations are commonly encountered in wind and marine turbine farms, where the wake generated by one turbine becomes the upstream flow for the next one, and where the atmospheric boundary layer can influence the dynamics of the airfoil’s airflow. Aerodynamic research on wind turbines has primarily focused on the general response of airfoils, and the flow downstream. However, airfoils are not considered yet in an upstream flow with the presence of a family of coherent structures. This study takes into account the spatial and temporal aspects, which is crucial for understanding how efficiently the kinetic energy carried by these coherent motions is captured within the wake. The novelty of the project is to provide a complementary and more detailed analysis of the airfoil-upstream flow interactions based on the analysis of the intermittency of the upstream conditions. This helps to gain insights into the dynamic response ofthe downstream airfoil and the distribution of kinetic energy over the airfoil. To achieve this goal, pressure distributions (coherent structures) must be phase-averaged with a conditioning based on the dynamics of the upstream flow. This type of analysis representsa novel approach and requires the development of specialized methods to be applied to such complex cases. One of the key areas of investigation within the project is the study of the total turbulent kinetic energy (TKE) when the upstream coherent structure packets interact with the downstream airfoil. Additionally, further research can be involved into turbulent kinetic energy, considering the interactions between different components of fluctuations, such as the interactions between coherent and random motion. This thesis work is integrated in the framework of DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) project that is funded by the French National Agency of Research (ANR). The project is a collaborative research involving four French laboratories, including the CORIA laboratory.