Physical analysis of the swirling wake of a porous disc : application to wind turbines

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

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Oliver Buxton, Grégory Pinon, Pierre Bénard, Régine Weber-Rozenbaum
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Oliver Buxton, John Christos Vassilicos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Turbulence de sillage

Essais en soufflerie aérodynamique

Énergie éolienne

Recherche

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Éolienne

Sillage

Disque poreux

Taux de rotation

Autosimilarité

Turbulence hors-équilibre

Entraînement

Wind turbine

Wake

Porous disc

Swirl

Self-similarity

Non-equilibrium turbulence

Entrainment

Résumé

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.

Wind energy stands out as a capital component of the renewable energy portfolio and has accordingly shown an exponential growth in recent years. Due to the limited regions with high wind energy potential, wind turbines are usually clustered in wind farms, whose power output will be impacted by wake interactions. Therefore, predicting the wake's evolution is of critical importance. To this end, fundamental studies are required to bring a comprehensive understanding of the underlying physics of wind turbine wakes. Porous discs are popular devices used to mimic the wake of wind turbines at the laboratory scale. So far, porous discs have been designed by adjusting a single physical parameter, its porosity, with the aim to match the velocity deficit of a target wind turbine. However, this simplistic approach excludes a key feature of wind turbine wakes : swirl. The present work tackles this issue by investigating in depth the role of swirl on the development of a wake generated by a porous disc. To do so, extensive wind tunnel experiments were conducted to measure the wake of a porous disc modified to passively incorporate swirl. It is found that swirl is a key ingredient to achieve self-similarity of the wake deficit in the intermediate wake region and matches very well the data reported in the literature of wind turbines. Based on non-equilibrium similarity theory, a novel scaling law for the decay of swirl is derived and shows very good agreement with the collected data. Finally, the turbulent entrainment at the turbulent/non-turbulent interface (TNTI) is analysed using highly resolved PIV data. An improved uniform momentum zones-based detection technique is developed to accurately detect the TNTI, whose fractal dimension appears to be unaffected by swirl. However, our results emphasise that swirl increases both the mean entrainment and the TNTI tortuosity. Altogether, these observations reveal the need to incorporate swirl to the actuator disc model to faithfully reproduce the wake of a wind turbine, both experimentally and numerically.