Thèse soutenue

Analyse physique du sillage tournant d'un disque poreux : application aux éoliennes

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Auteur / Autrice : Ernesto Fuentes Noriega
Direction : Nicolas Mazellier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides
Date : Soutenance le 19/03/2024
Etablissement(s) : Orléans
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
Jury : Président / Présidente : Sandrine Aubrun-Sanches
Examinateurs / Examinatrices : Oliver Buxton, Grégory Pinon, Pierre Bénard, Régine Weber-Rozenbaum
Rapporteurs / Rapporteuses : Oliver Buxton, John Christos Vassilicos

Résumé

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La production d'énergie éolienne, élément fondamental du portefeuille d'énergies renouvelables, a connu une croissance exponentielle ces dernières années. À cause de la limitation des sites dits à fort potentiel éolien, les turbines sont généralement regroupées dans des parcs éoliens, dont la production d'énergie est entravée par les interactions entre sillages. Par conséquent, prédire l'évolution du sillage éolien est d'une importance cruciale. À cette fin, des études fondamentales sont nécessaires pour apporter une compréhension fine de la physique sous-jacente des sillages d'éoliennes. Les disques poreux sont des dispositifs populaires utilisés pour imiter le sillage des éoliennes à l'échelle du laboratoire. Jusqu'à présent, les disques poreux ont été conçus en ajustant un seul paramètre physique, leur porosité, dans le but de reproduire le déficit de vitesse d'une éolienne cible. Cependant, cette approche simpliste exclut une caractéristique clé des sillages éoliens : le taux de rotation (swirl). Ce travail aborde cette problématique en étudiant en profondeur le rôle du taux de rotation sur le développement d'un sillage généré par un disque poreux. Pour ce faire, des expériences en soufflerie ont été menées pour mesurer le sillage d'un disque poreux modifié de telle sorte à intégrer passivement un taux de rotation. Il s'avère que le taux de rotation est un ingrédient clé pour atteindre l'auto-similarité du déficit de vitesse dans la région intermédiaire du sillage et correspond très bien aux données rapportées dans la littérature sur les éoliennes. Sur la base de la théorie de la turbulence hors-équilibre, une nouvelle loi d'échelle pour la décroissance du taux de rotation est dérivée et montre une très bonne concordance avec les données collectées. Enfin, l'entraînement turbulent à l'interface turbulent/non-turbulent (TNTI) est analysé en utilisant des données PIV hautement résolues. Une technique de détection améliorée basée sur les zones de quantité de mouvement uniforme est développée pour détecter avec précision la TNTI, dont la dimension fractale ne semble pas être modifiée par la rotation. Cependant, nos résultats soulignent que le taux de rotation augmente à la fois l'entraînement moyen et la tortuosité de la TNTI. Ces observations révèlent la nécessité d'incorporer désormais le taux de rotation dans le modèle de disque actuateur pour reproduire fidèlement le sillage d'une éolienne, aussi bien sur le plan expérimental que numerique.