Couplage fluide-structure pour la stabilité et la performance énergétique d'une éolienne à pales hyper-flexibles, sous différents régimes d'écoulement hydrodynamique

Fluid-structure coupling for the stability and energy performance of a wind turbine with hyper-flexible blades, under different hydrodynamic flow regimes

• Auteur / Autrice : Elias Farah
• Direction : Abdellatif Ouahsine, Patrick Verdin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Inscription en doctorat le 19/01/2022
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Université de Cranfield
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanique, énergie et électricité

Mots clés

Mots clés libres

Interaction fluide-structure

Mécanique Numérique des Fluides (CFD)

Énergie éolienne offshore

Hyper-flexible

Fluid-structure interaction

Computational Fluid Dynamic (CFD)

Offshore wind energy

Hyper-flexible

Résumé

Pour produire une énergie plus respectueuse de l'environnement, de nombreux instituts de recherche privés et publics ont reconnu la nécessité d'exploiter des ressources énergétiques naturelles et durables. Parmi ces ressources, l'extraction d'énergie à partir du vent a augmenté massivement au cours de la dernière décennie. Les éoliennes fonctionnant en mer dans des environnements hautement transitoires et instables sont soumises à : (i) à une aérodynamique complexe due à de fortes turbulences, à des changements de direction du vent, etc. et (ii) à des forces mécaniques du vent et à des conditions de chargement, ce qui augmente le risque de défaillance de l'éolienne, notamment en raison de la charge de fatigue. La plupart des modèles actuels utilisés pour représenter les déformations des pales sont basés sur des poutres élastiques continues. Cependant, les pales d'éoliennes ont une forme complexe, sont faites de matériaux composites avec une forte anisotropie de leur comportement mécanique. Bien que plusieurs études récentes aient inclus la flexibilité des pales dans les modèles et les simulations, des recherches supplémentaires sont nécessaires sur les aspects numériques. Dans le projet de recherche proposé, un modèle d'interaction fluide-structure (FSI) sera développé, basé sur le couplage de la modélisation aérodynamique du rotor et du comportement vibratoire des pales qui seront considérées comme ''hyper'' flexibles. L'étude de la déformation et de la vibration des pales sous FSI est également critique pour le fonctionnement sûr des grandes éoliennes. Le présent projet de thèse aura deux objectifs principaux : 1. Un modèle numérique d'interaction fluide-structure en 3D sera développé pour étudier les effets du chargement et la stabilité des pales d'éoliennes ''hyper'' flexibles. Ce modèle couplera l'état structurel flexible des pales de l'éolienne et l'écoulement du fluide environnant dans diverses conditions d'écoulement, y compris la vitesse et la direction du vent. -Le modèle structurel sera de type poutre pour représenter le comportement des pales de manière aussi réaliste que possible, en tenant compte de l'anisotropie des matériaux, de la géométrie réelle de la pale et du couplage des déformations. Le modèle fluide sera basé sur les équations de Navier-Stokes 3D couplées à un modèle de turbulence approprié pour étudier les phénomènes de vortex dans le sillage de l'éolienne. On s'attend à ce que les performances optimales des systèmes d'éoliennes existants soient améliorées en utilisant des pales ''hyper'' flexibles. Il est à noter que l'hyperflexibilité des pales peut être un avantage pour le démarrage de l'éolienne dans des conditions de vent léger, mais peut être un inconvénient pour maintenir l'éolienne opérationnelle et stable par vent fort. Des situations extrêmes et des scénarios similaires à ceux rencontrés en mer seront étudiés numériquement afin d'établir les limites de l'utilisation sûre des pales ''hyperflexibles''. 2. Les effets de sillage seront étudiés numériquement pour les éoliennes à pales ''hyperflexibles''. Une approche innovante sera appliquée, la méthode des frontières immergées mobiles pour FSI (MIBM). Cette méthode, développée par l'UTC, tient compte de la forme réelle des pales en mouvement, pour surmonter les limites des modèles de turbulence, et pour caractériser avec une grande précision les structures tourbillonnaires en aval du rotor.

To produce more environmentally friendly energy, many private and public research institutes have recognized the need to harness natural and sustainable energy resources. Among these resources, energy extraction from wind has increased massively over the past decade. Wind turbines operating offshore in highly transient and unsteady environments are subject to: (i) complex aerodynamics due to strong turbulence, changes in wind direction, etc., and (ii) mechanical wind forces and loading conditions, thus increasing the risk of wind turbine failure, especially due to fatigue loading. Most current models used to represent blade deformations are based on continuous elastic beams. However, wind turbine blades have a complex shape, and are made of composite materials with a strong anisotropy of their mechanical behavior. Although several recent studies have included blade flexibility into models and simulations, more research is required on the numerical aspects. In the proposed research project, a fluid-structure interaction (FSI) model will be developed, based on the coupling of the rotor aerodynamic modeling, and the vibratory behavior of the blades which will be considered ‘hyper'-flexible. Studying the deformation and vibration of blades under FSI is also critical for the safe operation of large wind turbines. The present thesis project will have two main objectives: 1. A 3D fluid-structure interaction numerical model will be developed to investigate loading effects and stability for ‘hyper-flexible wind turbine blades. This model will couple the structural flexible state of the wind turbine blades and the surrounding fluid flow under various flow conditions, including wind velocity and direction. -The structural model will be of the beam type to represent the behavior of the blades as realistically as possible, taking into account the anisotropy of the materials, the real geometry of the blade and the coupling of the deformations,-The fluid model will be based on the 3D Navier-Stokes equations coupled with a suitable turbulence model to study the vortex phenomena in the wind turbine wake. It is expected that the optimum performance of existing wind turbine systems will be improved using the ‘hyper-flexible blades. Note that the hyper flexibility of the blades can be an advantage for the turbine to start under mild wind conditions, but can be a drawback in keeping the turbine operational and stable under strong winds. Extreme situations and scenarios similar to those encountered offshore will be investigated numerically to establish the limits for the safe use of ‘hyper-flexible blades. 2. Wake effects will be investigated numerically for ‘hyper-flexible blades-based wind turbines. An innovative approach will be applied, the Moving Immersed Boundary Method for FSI (MIBM). This method, developed by UTC, accounts for the real shape of the moving blades, to overcome turbulence model limitations, and to characterize with high accuracy the vortex structures downstream of the rotor.