Developpement dun modele de surface active pour

ameliorer la representation des charges aerodynamiques

sur une pale eolienne

Asif Ali Memon

To cite this version:

Asif Ali Memon. Developpement dun modele de surface active pour ameliorer la representationdes charges aerodynamiques sur une pale eolienne. Energie electrique. Arts et Metiers Paris-Tech, 2012. Francais. NNT : 2012ENAM0006 .

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Submitted on 19 Apr 2012

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1

2012-ENAM-0006

cole doctorale n432 : Science des Mtiers de lIngnieur

T

H

S

E

Jury

M. Farid BAKIR, Professeur, Arts et Mtiers ParisTech Prsident

M. Georges DESCOMBES, Professeur, CNAM, Paris Rapporteur

M. Fethi ALOUI, Professeur, ENSIAME, Valenciennes Rapporteur

M. Abdelhak AMBARI, Professeur, Arts et Mtiers ParisTech Examinateur

Mme. Sandrine AUBRUN-SANCHES, Maitre de Confrences-HDR, PRISME, Universit dOrlans Examinatrice

M. Fawaz MASSOUH, Maitre de Confrences-HDR, LMF, Arts et Mtiers ParisTech Examinateur

M. Gilles NOTTON, Maitre de Confrences-HDR, Universit de Corse Examinateur

M. Ivan DOBREV, Ingnieur, Arts et Mtiers ParisTech Invit

M. Marc RAPIN, Ingnieur, ONERA - CHATILLON Invit

Doctorat ParisTech

T H S E

pour obtenir le grade de docteur dlivr par

lcole Nationale Suprieure d'Arts et Mtiers

Spcialit Gnie Energtique

prsente et soutenue publiquement par

Asif Ali MEMON

le 30 mars 2012

Dveloppement dun modle de surface active pour amliorer

la reprsentation des charges arodynamiques sur une pale olienne

Directeur de thse : Fawaz MASSOUH

Co-encadrement de la thse : Ivan DOBREV

2

Remerciements

Je tiens remercier en premier lieu mon directeur de thse Fawaz Massouh pour

mavoir accueilli et encadr au sein de son laboratoire. Je lui suis galement

reconnaissant pour sa disponibilit et ses qualits pdagogiques et scientifiques.

Jadresse mes remerciements les plus chaleureux mon co-directeur de thse

Ivan Dobrev pour tous les conseils techniques et scientifiques quil ma apports et

qui mont beaucoup aid accomplir mes travaux.

Je tiens remercier Messieurs les Professeurs Georges Descombes et Fethi Aloui

pour avoir accept dexpertiser mon travail et dtre les rapporteurs de thse. Je

tiens galement remercier Madame Sandrine Aubrun-Sanches et Messieurs

Farid Bakir, Abdelhak Ambari, Gilles Notton et Marc Rapin pour lhonneur quils

mont fait en acceptant de participer au Jury et dexaminer mes travaux.

Mes remerciements chaleureux vont aussi Madame Martine Portolan, Messieurs

Tammam Hammami et Xavier Merle pour leur aide la correction linguistique du

manuscrit.

Jadresse mes remerciements les plus vifs et les plus profonds ma famille pour

ses encouragements constants et son soutien moral ; qui rconfortait mon esprit

et me permettait de travailler sereinement durant ces annes de prparation de

thse.

Je tiens galement exprimer mes remerciements amicaux tous les stagiaires

et doctorants du laboratoire de mcanique des fluides pour la convivialit et lesprit

dquipe dont ils ont toujours fait preuve.

Que soient galement remercis lensemble dquipe de lcole doctorale dArts et

Mtiers ParisTech et notamment Monsieur le Professeur Grard Coffignal,

Madame le Professeur Anne Bouteville, Mesdames Claude Roy, Florence

Dumard, et Carole Wahnoun pour leur coute et comprhension.

Jexprime ma reconnaissance la plus sincre Madame Anna Maneta de SFERE

pour son soutien et son aide afin dassurer lavancement de mes tudes pendant

toutes ces dernires annes.

Enfin, mes remerciements les plus profonds vont aussi la commission HEC au

Pakistan pour le financement de mes tudes doctorales en France et en particulier

Monsieur M.A Shaikh, pour avoir facilit mes dmarches de bourse.

3

Table des Matires

Liste des symboles..

6

Introduction gnrale..

8

Partie A. tat de lart sur les oliennes..

13

1. Aperu sur le dveloppement des parcs oliens ......... 14

1.1 Introduction... 14

1.2 Historique de lvolution des oliennes 14

1.3 Etat actuel des parcs oliens ....... 15

1.4 Interaction arodynamique des oliennes dans un parc... 17

1.5 Conclusion....... 19

2. Analyse des mthodes arodynamiques pour la modlisation des

oliennes 20

2.1 Introduction 20

2.2 Mthodes bases sur larodynamique du profil ... 21

2.2.1 Thorie de llment de pale... 21

2.2.2 Thorie de Glauert 24

2.2.3 Mthode tourbillonnaire de la ligne portante 29

2.2.4 Mthode hybride 30

2.3 Mthodes base sur la gomtrie complte.. 32

2.4 Evaluation des mthodes adaptes pour la simulation des parcs oliens. 33

2.5 Conclusion.............................................................. 35

4

Partie B. Modle hybride propos...

38

3. Proposition dun modle hybride intgrant les forces tangentielles

dans lvaluation des charges arodynamiques. 39

3.1 Introduction... 39

3.2 Modles hybrides appliqus aux rotors oliens..... 40

3.2.1 Modle hybride du disque actif 40

3.2.2 Modle hybride de la ligne active 44

3.2.3 Modle hybride de la surface active.. 46

3.3 Analyse des rsultats dessais NREL et besoin de modlisation des

forces tangentielles sur les profils de pale. 50

3.4 Conclusion. 53

4. Validation du modle propos dans le cas de lcoulement autour

dun profil 54

4.1 Introduction 54

4.2 Simulation avec la gomtrie complte du profil 55

4.2.1 Validation de la simulation . 56

4.2.2 Distribution des charges arodynamiques 57

4.3 Simulation avec les modles hybrides 60

4.3.1 Cas de la ligne active ......................... 60

4.3.2 Cas de la surface active . 63

4.3.3 Nouveau modle de surface active . 65

4.4 Comparaison des rsultats de simulation 67

4.4.1 Ecoulement autour du profil.................................................. 67

4.4.2 Dveloppement du sillage .. 74

4.5 Conclusion.... 88

5

5. Etude en soufflerie par exploration PIV de lcoulement autour dune

olienne tripale axe horizontal..

89

5.1 Introduction 89

5.2 Principe de la technique de mesure PIV.. 89

5.3 Description du banc dessais en soufflerie............. 91

5.3.1 Prsentation de la soufflerie 91

5.3.2 olienne teste . 92

5.3.3 Equipement PIV.... 94

5.4 Description des essais et traitement des images PIV 96

5.5 Rsultats des essais....... 99

5.6.1 Champ de lcoulement instantan 101

5.6.2 Champ de lcoulement moyenn.. 104

5.6 Conclusion. 107

6. Validation du modle propos laide de ltude dolienne en

soufflerie. 108

6.1 Introduction... 108

6.2 Mise en uvre de la modlisation hybride propose 108

6.2.1 Calcul des forces arodynamiques 109

6.2.2 Rpartition des forces arodynamiques... 111

6.2.2.1 Discontinuit de pression. 111

6.2.2.2 Termes sources. 113

6.2.3 Calcul de couple et de puissance.. 114

6.3 Domaine de calcul et conditions aux limites .. 115

6.4 Comparaison des rsultats numriques avec les essais.. 118

6.5 Conclusion 127

Conclusion gnrale... 128

Annexe A 132

Annexe B 134

Bibliographie. 154

6

Liste des symboles

Coefficient de portance

Coefficient de trane

Coefficient de force normale

Coefficient de force tangentielle

Coefficient de puissance

Coefficient de pousse

Coefficient de puissance maximum

c Corde [m]

p Diffrence de pression [Pa]

Force axiale [N]

Force tangentielle [N]

Facteur dinduction axiale [-]

Facteur dinduction tangentielle [-]

Nombre de pales

P Puissance [W]

p Pression [Pa]

Portance [N]

Rayon de la pale [m]

Rayon local [m]

Trane [N]

Vitesse lamont [m/s]

Vitesse relative [m/s]

Angle dincidence [deg]

Angle de calage [deg]

Circulation [m/s]

Vorticit [1/s]

7

Vitesse spcifique [-]

Masse volumique [kg/m3]

Angle dcoulement [deg]

Vitesse angulaire du rotor [rad/s]

8

Introduction gnrale

Depuis la reprise dintrt sur lexploitation des nergies renouvelables ces

dernires dcennies, les oliennes ont vu un progrs sans prcdent. Malgr

lavancement des mthodes de simulation de lcoulement travers des

oliennes, larodynamique de ces plus grande machines tournantes, na pas pu

tre compltement lucide, cause de nombreux facteurs externes. En effet, la

topographie du terrain, les conditions complexes datmosphre et linteraction

entre les machines installes dans un parc olien, peuvent changer compltement

les caractristiques de lcoulement dans lolienne.

Dans ce travail, on sintresse la modlisation de linteraction arodynamique

entre les oliennes installes dans un parc. En effet, lextraction de lnergie du

vent par lolienne, implique une dclration de lcoulement et la cration dun

sillage tourbillonnaire qui se dveloppe l'arrire du rotor. Ainsi, dans un parc,

lolienne situe en aval dune autre, se trouve sous une vitesse du vent diminue

et sous leffet du sillage tourbillonnaire de lolienne en amont. La diminution de la

vitesse rduit la puissance de lolienne situe laval dans un parc. De plus, la

prsence des structures tourbillonnaires issues de lolienne en amont, augmente

la fluctuation des efforts arodynamiques appliqus lolienne laval. Cette

fluctuation provoque la fatigue des structures et des matriaux, et en rsultat, la

dure de vie des pales et des autres composants de lolienne est rduite.

Il est vident que, pour amliorer lexploitation des oliennes installes dans un

parc, il faut optimiser lemplacement des machines. Pour cette optimisation

arodynamique, il faut modliser lensemble des machines installes dans le parc

en prenant en compte la complexit de la topographie du terrain.

Actuellement, la simulation de plusieurs oliennes simultanment devient

exorbitante par rapport aux ressources informatiques. Ainsi, en raison de la

capacit de la mmoire et la rapidit des processeurs, pratiquement il nest pas

possible de modliser lcoulement dans un parc, travers des oliennes avec la

gomtrie complte. Il est noter que, la modlisation de la gomtrie complte

des rotors, y compris les pales, exige une puissance de calcul aussi leve que la

modlisation du sillage, et les effets de linteraction arodynamique. En

consquence, si on sintresse principalement linteraction arodynamique dans

le parc, il devient intressant de diminuer la complexit du calcul de lcoulement

travers lolienne. Pour cela, le rotor olien peut tre remplac par un modle

spcifique, qui cr le mme effet sur lcoulement comme le rotor olien

gomtrie complte. Ce modle, qui est moins complexe que le rotor avec la

gomtrie complte, est connu comme le modle hybride.

9

Le modle hybride consiste coupler la mthode de llment de pale avec un

solveur des quations de Navier-Stokes ou dEuler. La mthode de llment de

pale calcule les charges arodynamiques des pales partir de lcoulement

incident. Puis, ces charges sont traduites par des termes sources dans les

quations de Navier-Stokes. En effet, ces termes sources permettent de modliser

linfluence du rotor sur lcoulement.

Les modles hybrides pour un rotor olien peuvent tre classs en trois types :

disque actif, ligne active et surface active. Le modle le plus simple est celui du

disque actif. Il reprsente le rotor par un disque permable qui cre une

discontinuit de pression, ou par une tranche cylindrique qui contient des termes

sources. Dans ce modle les efforts arodynamiques sont repartis sur toute

surface balaye par les pales du rotor; ce qui ne permet pas de reprsenter

individuellement les pales.

Le modle de la ligne active reprsente chaque pale du rotor individuellement

laide des termes sources, qui sont calcules partir de lcoulement en amont et

les caractristiques des profils des pales. Ce modle permet de modliser bien les

tourbillons marginaux issus de lextrmit des pales. Par contre, la rpartition

dintensit des termes sources, dans le volume autour de laxe de la pale, ne

permet pas de modliser correctement les perturbations locales venant des profils

de pale.

Parmi les modles hybrides, le modle de la surface active est le modle plus

proche de la ralit. Dans ce modle, la pale est remplace par une surface de

discontinuit de la pression. La forme de cette surface concide avec la surface

moyenne de la pale et la discontinuit de la pression impose sur la surface,

correspond la diffrence des pressions extrados-intrados , cre par la pale.

En rsultat, les perturbations de la vitesse cres par la surface active sont trs

proches de celles de la pale relle. La reproduction de ces perturbations est trs

importante parce que le champ de vitesse la sortie du rotor reprsente les

conditions initiales de dveloppement du sillage tourbillonnaire proche.

Ce travail est consacr lamlioration du modle de la surface active, afin de

mieux reprsenter le champ dcoulement travers le rotor olien, ainsi que le

sillage en aval. Actuellement, les applications bases sur le modle de la surface

active ne prennent pas en compte les forces tangentielles la surface de la pale.

Ces forces, qui sont exerces le long de la corde de la pale, sont ngliges par les

chercheurs, qui supposent que ces forces sont faibles par rapport aux forces

normales. Ce raisonnement est valable lorsque langle dincidence est faible ou

modr, mais quand on sapproche du point du dcrochage du profil, ces valeurs

deviennent non-ngligeables. Il est noter que le fonctionnement des profils de

lolienne au-del du point de dcrochage est frquent, surtout pour les parties

10

internes de la pale. Donc pour mieux reprsenter le sillage olien, il faut reproduire

les forces tangentielles correctement.

Pour confirmer limportance de la modlisation des forces tangentielles, une tude

est mene sur les rsultats dessais de lolienne NREL phase VI. Cette olienne,

avec une gomtrie bien connue, est teste pour diffrentes vitesses du vent en

amont. Une des pales du rotor est quipe avec des prises de pression et des

tubes de Pitot, placs cinq diffrents rayons le long de la pale. Ainsi, les

mesures des pressions statiques et de la vitesse en amont pour chaque coupe,

permettent de calculer les coefficients de forces normales et tangentielles en

fonction de langle dincidence. Le calcul et lanalyse raliss dans ce travail

mettent en vidence, que pour certains angles dincidence, les forces tangentielles

sont estimes de 10 20% des forces normales. Evidement, les valeurs de la

force tangentielle ne sont pas ngligeables et il est trs important de les

modliser, afin de mieux reprsenter le sillage olien.

Dans un premier temps, on prsent le modle de la surface active, propos dans

le cas des calculs bidimensionnels. Pour valider lamlioration de la reprsentation

des charges arodynamiques sur une pale olienne, on montre les diffrentes

modlisations hybrides dans le cas de lcoulement autour dun profil olien. Dans

ces simulations, on compare le champ de vitesse obtenu laide de la gomtrie

relle avec ceux obtenues laide des diffrents modles hybrides.

Pour valider la simulation du profil, dans le cas de la gomtrie complte, les

coefficients de portance et de trane issues des calculs sont compars aux

rsultats exprimentaux issus de la soufflerie de luniversit de Delft pour un

nombre de Reynolds gale . Les calculs sont mens pour diffrents angles

dincidence et pour chaque angle, les rpartitions des forces normales et

tangentielles le long de la corde sont extraites. Ces rpartitions sont utilises

ensuite pour les modlisations hybrides.

Pour chaque angle dincidence, trois diffrents calculs sont raliss, afin de

simuler le champ de vitesse autour du profil et le dveloppement du sillage. Ces

calculs prsentent les diffrents modles hybrides dans le cas bidimensionnel :

Modle de la ligne active. Des termes sources sont distribus autour dun

point.

Modle de la surface active. Une discontinuit de pression est distribue le

long de la corde du profil.

Modle de la surface active amlior. Une discontinuit de pression et la

force tangentielle sont distribues le long de la corde du profil.

11

Dans la comparaison entre les diffrents modles hybrides, pour chaque angle

dincidence, on utilise les mmes conditions aux limites, ainsi que les mmes

forces arodynamiques. Pour faciliter la comparaison des rsultats de calcul du

sillage, dix lignes de contrle quidistantes sont places derrire le profil. Pour

chaque ligne de contrle, les rsultats de dveloppement du sillage du profil rel

sont compars aux rsultats issus des diffrentes modlisations hybrides. Le

rsultat de cette comparaison montre que le meilleur accord avec lcoulement

autour du profil rel, est obtenu avec le modle de la surface active amlior.

Pour obtenir les donnes exprimentales ncessaires pour la validation du modle

de surface active propos dans ce travail, on a ralis les explorations de

lcoulement autour dune olienne axe horizontal. Les travaux exprimentaux

sont mens dans la soufflerie du laboratoire de Mcanique des Fluides aux Arts et

Mtiers ParisTech. Ces travaux ont permis de crer une base de donnes

concernant les proprits arodynamiques de lolienne, ainsi que le

dveloppement du sillage laval du rotor. Pour lexploration du sillage, la

technique de la vlocimtrie par images des particules (PIV) a t utilise. Cette

technique a permis dobtenir les vitesses laval du rotor, ainsi que les positions

des tourbillons marginaux pour diffrentes vitesses de rotation.

Enfin, pour valider la modlisation hybride propose dans ce travail, on prsente

la simulation de lcoulement autour de lolienne teste dans la soufflerie. La

modlisation couple le solveur des quations de Navier-Stokes et un logiciel

dvelopp spcialement pour appliquer la mthode de llment de pale et dfinir

la rpartition de la discontinuit de pression et la force tangentielle le long de la

corde. Le domaine du calcul est constitu par un volume qui reprsente le fluide

autour de lolienne et des surfaces lintrieure, qui reprsentent la surface

moyenne de la pale. Sur cette surface, on impose une discontinuit de pression,

gale la diffrence des pressions extrados-intrados cres par la pale.

Autour de la pale, dans une couche dpaisseur 5% de la corde, on distribue les

termes sources qui reprsentent les forces tangentielles du profil de la pale. La

discontinuit de pression et les termes sources sont calculs partir des

caractristiques arodynamiques du profil de la pale et du vecteur de vitesse en

amont. Dans cette modlisation, on utilise les caractristiques arodynamiques du

profil provenant de lexprimentation. Lcoulement en amont du profil est calcul

partir du champ de vitesse calcul par le solveur. Le calcul est itratif, au dbut

de chaque pas, on obtient le champ de vitesse en amont de la pale, on calcul et

on impose la discontinuit de pression et les termes sources. A la fin de litration,

le champ de vitesse obtenu est compar avec celui de litration prcdente et

dans le cas de convergence, le calcul sarrte.

12

Les calculs sont effectus pour diffrentes vitesses spcifiques de lolienne. Les

champs de vitesse dans le sillage proche de lolienne et les positions de

tourbillons marginaux sont obtenus. Ces rsultats sont compars avec les essais

mens dans la soufflerie. La comparaison montre lefficacit de la modlisation

hybride propose, dans ce travail.

13

Partie A

tat de lart sur les oliennes

14

Chapitre 1.

Aperu sur le dveloppement des parcs oliens

1.1 Introduction

Ce chapitre prsente lintrt des tudes de linteraction arodynamique entre les

oliennes dans un parc. En effet, ces tudes sont importantes pour optimiser le

positionnement des oliennes afin dextraire le maximum dnergie rcuprable

partir de lnergie cintique du vent. Lextraction dnergie du vent par une

olienne implique un ralentissement de lcoulement ainsi quun sillage

tourbillonnaire qui se dveloppe laval du rotor. Ces phnomnes rduisent

significativement la puissance de lolienne situe en aval dans un parc.

Actuellement, les outils de simulation numrique de lcoulement travers les

oliennes ne permettent pas de prdire correctement le comportement

arodynamique des oliennes dans un parc. Une tude, appele blind test [6],

mene par le NREL (National Renewable Energy Laboratory) aux Etats Unis,

montre un cart important entre les rsultats des simulations numriques issues

de plusieurs codes connus et les rsultats exprimentaux obtenus dans la grande

soufflerie Ames de la NASA.

Afin de rendre compte de limportance de ltude des parcs, ce chapitre

commence par un aperu gnral de lhistoire technologique et de ltat actuel

dinstallation des parcs oliens.

1.2 Historique de lvolution des oliennes

Lhistoire nous apprend que lutilisation de la technologie olienne a t initie en

Perse en l'an 1000 avant J.C pour moudre le grain et pour le pompage deau. Elle

a dbut louest de lEurope seulement en l'an 1300, principalement pour une

utilisation rurale. Cette technologie a connu un grand succs jusquau dix-

neuvime sicle en fournissant lnergie mcanique ncessaire pour les travaux

agricoles [1].

Ce nest que dbut du 20me sicle, aprs l'avnement de la rvolution industrielle

et des machines vapeur au 19me sicle, que les oliennes ont volues, et ont

commences tre utilises pour produire de l'lectricit. La premire olienne

Lykkegard pour produire llectricit a t introduite au Danemark. On commence

15

depuis parler d'arognrateurs. La crise nergtique en 1973 a donn une

impulsion pour le dveloppement des oliennes afin de contribuer satisfaire la

demande dnergie. Ce dveloppement est de plus en plus encourag en raison

des problmes de pollution et des changements climatiques provoqus par les

missions des gaz effet de serre.

En effet, avec la diminution du stock mondial dhydrocarbures, la demande

nergtique sans cesse croissante et la crainte dune pollution de plus en plus

envahissante, les nergies propres et renouvelables attirent tout particulirement

les industriels, les nergticiens et la communaut des chercheurs partout dans le

monde.

Les oliennes ont ainsi continu voluer au cours des 20 dernires annes. Le

cot global ncessaire la production dlectricit partir du vent est devenu

maintenant comparable aux sources dnergie traditionnelles comme les

combustibles fossiles. Cette rduction du cot est le rsultat de progrs importants

de la technologie utilise pour les oliennes. Actuellement, lindustrie est devenue

mature et permet denvisager lexploitation grande chelle lnergie olienne.

1.3 Etat actuel des parcs oliens

La capacit mondiale installe des oliennes a atteinte 196 630 MW jusqu fin

2010, ce qui peuvent produire llectricit jusqu 430 TWh/an. Ceci reprsente

2,5% de lnergie lectrique consomme mondialement avec un chiffre daffaire

de 40 milliards deuros [3]. La reprsentation graphique en Fig.1.1 montre la

puissance installe en MW cumule dans le monde entier et qui a connu une

croissance trs importante : 22,5% en 2010 ; ainsi une prvision dinstallation pour

2011 est montre.

De cette capacit dinstallation mondiale, 84 278 MW sont installs en Europe, ces

oliennes peuvent produire jusqu' 181 TWh/an; ce qui reprsente 5,3% de la

consommation de lnergie lectrique en Europe. La reprsentation graphique

illustre en Fig.1.2 montre la rpartition des installations oliennes dans les pays

europens en 2010. LAllemagne occupe la premire place pour la puissance

installe. Elle est suivie par lEspagne, lItalie, et la France. La capacit

dinstallation en France a atteint 5660 MW [3]; ce qui ont contribu hauteur de

1,9% la consommation lectrique nationale et ont permis d'viter lmission de 4

millions de tonnes du CO2.

Ces chiffres montrent lintrt croissant pour lutilisation des nergies

renouvelables en rponse linquitude porte au changement climatique.

lhorizon de 2020, lEurope prvoit la production de 20% de son nergie lectrique

partir des nergies renouvelables comme lolienne. LAssociation Europenne

16

de lEnergies Eolienne (EWEA) prvoit, que la puissance install dpassera les

1900 GW en 2020 [3].

Fig.1.1 Evolution des installations oliennes dans le monde entier en MW [2]

Fig. 1.2 Rpartition europenne des installations oliennes en 2010 (MW) [3]

17

1.4 Interaction arodynamique des oliennes dans un parc

Le sillage dolien a t un sujet de recherche intensive depuis lintrt accru de

lutilisation de lnergie olienne ces dernires dcennies. Les oliennes sont les

plus grandes machines tournantes qui permettent dextraire l'nergie cintique du

vent et de la transformer en nergie mcanique. Cette extraction nergtique

ralentit le vent et donne lieu un sillage tourbillonnaire qui se dveloppe l'arrire

du rotor olien [69].

Dans un parc, une olienne qui se trouve dans le sillage dune autre sera sous

une vitesse de vent ralentie. Elle nest donc pas dans de bonnes conditions de

production dnergie. De plus, laugmentation de lintensit de turbulence, cause

des structures tourbillonnaires du sillage, induit des charges dynamiques (Fig.1.3).

Ces charges provoquent la fatigue mcanique des matriaux [4] et rduisent ainsi

la dure de vie des pales et des autres composants de lolienne.

Fig.1.3 Reprsentation schmatique du dficit de vitesse ( gauche) et

visualisation du sillage olien ( droite) [92]

Si les machines dans un parc ne sont pas positionnes de faon optimale, la perte

de puissance peut atteindre jusqu' 23% [4, 5, 24, 26] par rapport au cas optimum.

Dans les grands parcs oliens off-shore, la perte moyenne due au sillage olien

est de lordre de 10 20% de la puissance totale. Gnralement, la distance entre

les oliennes dans un parc est prcise par les constructeurs comme cinq neuf

fois le diamtre dans la direction des vents dominants et trois cinq fois le

diamtre dans la direction perpendiculaire [26]. Mais malheureusement, cette

dfinition de positionnement ne garantit pas le rendement optimum pour les

oliennes.

Il est absolument indispensable dtudier et danalyser le dveloppement du

sillage de lolienne pour optimiser la rentabilit nergtique dun parc olien. La

disque

tube de courant

couche de cisaillement

18

matrise de larodynamique des oliennes permet de concevoir des oliennes

plus efficaces et plus performantes. Cependant, linteraction arodynamique des

oliennes dans un parc constitue toujours un dfi pour larodynamique [31, 68].

En effet, la difficult vient de nombreuses contraintes qui conditionnent le

fonctionnement des oliennes, telles que : la topographie du terrain, les conditions

atmosphriques complexes et linteraction arodynamique entre les machines

voisines [1,8].

Actuellement, il nest pratiquement pas possible de simuler plusieurs machines

oliennes installes dans un parc avec des mthodes de simulation complte,

parce que le temps de calcul devient rapidement prohibitif. En effet, la simulation

de la gomtrie complte des pales ncessite un nombre norme de mailles au

voisinage des parois afin de reproduire les effets de la couche limite. Pour

rsoudre cette difficult, plusieurs travaux ont t raliss afin de dvelopper des

modles quivalents du rotor olien permettant dacclrer le calcul [9]. Ces

modles appels modles hybrides consistent remplacer le rotor olien par

des forces de volume ou de surface lintrieur du domaine de simulation

numrique. Cependant, mme en mettant en uvre des moyens puissants de

calcul, la bonne reprsentation du rotor reste un problme difficile.

La difficult pour la modlisation de lolienne est rvle dans la recherche dite

blind test mene par le NREL (National Renewable Energy Laboratory) en

2002 [76].

Fig. 1.4 Comparaison des mthodes de simulation avec les essais de lolienne

NREL-Phase VI [6]

19

Pour ces travaux, une olienne de 10 mtres de diamtre a t teste dans la

soufflerie de la NASA Ames pour des vitesses du vent de 5-25 m/s sans ou avec

drapage [6]. Le laboratoire NREL avait invit les chercheurs internationaux

valuer avec leurs modles numriques les performances arodynamiques de

lolienne, mais sans connaissance pralable des rsultats dessais.

Dans cette tude, et afin de prdire les performances arodynamiques de

lolienne NREL phase VI, diffrents modles ont t utiliss : de la mthode de

llment de pale (BEM) aux simulations tridimensionnelles laide des quations

de Navier-Stokes [27]. Les rsultats de ces calculs pour la prdiction du couple

sont prsents sur la Fig. 1.4 et compars avec les rsultats exprimentaux. La

ligne avec les points noirs reprsente les rsultats de lolienne obtenus dans la

soufflerie NASA-Ames.

Lexamen de la Fig. 1.4, rvle des carts importants par rapport aux essais, dans

la plupart des rsultats fournis par les quipes de recherche participant cette

comparaison. Cet cart atteint pour certaine simulations plus de 150%.

1.5 Conclusion

Malgr lutilisation et l'amlioration des oliennes depuis plus de 100 ans, ce nest

quaprs les crises dnergie dans les annes 70, que les oliennes ont vu un

progrs norme. Actuellement, la France produit 1,9% dnergie lectrique par

des oliennes; ce qui permet de diminuer lmission de CO2 de 4 millions de

tonnes.

Dans ce chapitre, on a sensibilis lintrt doptimiser lemplacement des

oliennes dans un parc afin de diminuer les effets dinteraction arodynamique

entre les machines et damliorer la production dnergie du parc.

La simulation de la gomtrie complte des pales ncessite un nombre norme de

mailles afin de reproduire les effets de la couche limite et cela conduit un temps

de calcul prohibitif. Les modles hybrides qui reprsentent le rotor olien par des

forces de volume ou de surface lintrieur du domaine de simulation permettent

dacclrer le calcul et constituent une solution pratique pour la simulation des

oliennes et des parcs.

20

Chapitre 2.

Analyse des mthodes arodynamiques pour la

modlisation des oliennes

2.1 Introduction

Ce chapitre prsente les mthodes arodynamiques utilises pour la modlisation

des rotors oliens. Les mthodes de calcul des rotors dhlicoptres et d'hlices

marines ou ariennes sont devenues le point de dpart pour le dveloppement

des mthodes de calcul des oliennes. Nanmoins, ces mthodes dj

dveloppes, ne peuvent pas tre directement utilises pour le calcul de rotors

oliens en raison des conditions diffrentes de fonctionnement.

Il existe diffrentes faons de classer les mthodes de calcul. Dans ce travail, on

sintresse au dveloppement des mthodes qui peuvent tre appliques aux

tudes des parcs oliens. En consquence, il est utile de classer les mthodes

selon la rapidit et la prcision. Pour cela, on distingue deux catgories de

mthodes arodynamiques applicables aux rotors oliens :

Mthodes bases sur larodynamique du profil.

Mthodes de simulation complte.

Les mthodes bases sur larodynamique du profil des pales utilisent les

caractristiques bidimensionnelles des profils, provenant de lexprience ou de la

simulation. Lhypothse principale de ces mthodes est que lcoulement autour

du profil de pale est considr bidimensionnel; donc le fonctionnement des

tranches voisines de la pale est indpendant. En rsultat, le calcul des forces

arodynamiques appliques la pale, peut tre simplifi. Le calcul de portance et

de trane se fait par une simple intgration de ces forces le long de la pale,

tranche par tranche, en prenant en compte les proprits arodynamiques des

profils et la vitesse lamont. Ce calcul est trs rapide et permet dacclrer la

solution. La diffrence entre ces mthodes vient du calcul de la vitesse lamont

de la tranche. Ce calcul est trs simple, quand on utilise la thorie de Glauert ou le

calcul est trs complexe mais prcis, quand on utilise la mthode de rsolution

des quations de Navier-Stokes.

Contrairement aux mthodes bases sur larodynamique du profil qui simplifient

lcoulement autour du profil de pale, les mthodes de la simulation complte

prennent en compte la gomtrie relle de la pale. Ces mthodes utilisent soit la

21

thorie de lcoulement potentiel, soit les quations de Navier-Stokes ou dEuler

afin de modliser lcoulement autour des oliennes.

A la fin de ce chapitre, on prsente une comparaison qui montre les avantages et

les limitations des mthodes arodynamiques de calcul applicables ltude dun

parc olien.

2.2 Mthodes bases sur larodynamique du profil

2.2.1 Thorie de llment de pale

La thorie de llment de pale est conue avec la division de lcoulement en

volumes de contrle annulaires (Fig. 2.1) o sont appliqus les bilans de quantit

du mouvement et dnergie. Ces anneaux stendent de linfini amont jusqu'

linfini aval par rapport au rotor.

(a) (b)

Fig. 2.1 Concept dlment de pale (a) un anneau balay par un lment (b) un

lment de pale au rayon local r

Dans cette thorie, la pale est dcoupe en plusieurs tranches, et chaque tranche

est suppose indpendante des autres anneaux. A laide de cette thorie, les

forces arodynamiques de la trane et de la portance peuvent tre obtenues sur

chaque tranche de la pale, et en les intgrant, les caractristiques

22

arodynamiques du rotor peuvent tre calcules. La pale est soumise une

vitesse rsultante qui vient dune composition de la vitesse du vent linfini amont

et de la vitesse de rotation du rotor, soit:

(2.1)

Langle dincidence est dtermin partir de langle de la vitesse W par rapport

au plan de rotation et de langle de calage du profil, Fig. 2.2 :

(2.2)

Fig. 2.2 Forces agissant sur un lment de pale

Les forces agissant sur un lment de pale sont calcules en utilisant les

caractristiques de portance et de trane du profil. Lintgration de ces forces

arodynamiques le long de la pale permet dobtenir la force axiale, le couple et la

puissance du rotor. La force de portance dun lment peut tre calcule par

lquation suivante :

(2.3)

23

La force normale associe la portance est :

rCcWF nn d2

1d 2

(2.4)

Le coefficient de force normale peut tre calcul comme :

(2.5)

De mme, la force de trane dun lment est exprime comme :

(2.6)

Ainsi, la force tangentielle peut tre dcrite comme :

rCcWF tt d2

1d 2

(2.7)

Le coefficient de force tangentielle :

(2.8)

La force axiale applique la pale, rsulte de lintgration du pied lextrmit,

des efforts arodynamiques et peut tre obtenue laide de lquation suivante :

(2.9)

Et la puissance du rotor est calcule comme :

(2.10)

En ralit, un rotor olien reoit le vent qui est ralenti par lextraction de lnergie

cintique du vent. La thorie de llment de pale ne prend pas en compte cette

rduction de vitesse induite par le rotor. Par consquence, elle ne donne pas de

rsultats satisfaisants. Cest la thorie de Glauert, qui considre la vitesse induite

lors du calcul des efforts appliqus aux pales et des performances de lolienne.

24

2.2.2 Thorie de Glauert

Cette thorie, dveloppe par Glauert en 1935 [21], constitue un progrs

significatif pour modliser lcoulement travers le rotor, en couplant le thorme

de quantit de mouvement et la thorie de llment de pale. Ici, la rsultante de

vitesse est corrige laide de la vitesse induite par le rotor.

Le thorme de quantit de mouvement calcule la vitesse induite axiale pour

chaque lment de pale. Le thorme de conservation de la quantit de

mouvement en rotation calcule la vitesse tangentielle induite. En prenant en

compte ces vitesses induites, les efforts arodynamiques sont obtenus avec la

vitesse relative au profil au plan de rotation.

Fig. 2.3 Coupe lmentaire de pale et lanneau balay

Afin dvaluer la vitesse induite axiale, le rotor olien est modlis laide de la

thorie de Froude-Rankine [17,18], o le rotor est remplac par un disque

permable qui cre une discontinuit de pression lintrieur dun tube de courant

pris comme un volume de contrle (Fig. 2.4). Le disque cre une vitesse induite

qui doit tre superpose la vitesse du vent. La composante axiale de cette

vitesse induite par le disque est , o est le facteur dinduction axiale et V1

la vitesse du vent linfini amont. La vitesse moyenne de lcoulement au niveau

du disque est donc :

(2.11)

25

Fig. 2.4 disque permable et tube de courant

La variation de la quantit de mouvement provient de la diffrence de pression

travers le disque. Donc, pour un anneau lmentaire du tube de courant on

obtient :

(2.12)

Afin dobtenir la diffrence de pression, le thorme de Bernoulli est appliqu

entre linfini amont et lentre du disque.

(2.13)

De mme, entre la sortie du disque et linfini aval :

(2.14)

A laide des quations de Bernoulli, 2.13 et 2.14, la discontinuit de pression peut

tre exprime comme :

(2.15)

En substituant (2.15) dans lexpression (2.12), on obtient aprs simplification la

vitesse linfini aval :

(2.16)

La force exerce par lanneau sur le fluide vaut, partir de lquation (2.12) :

26

(2.17)

La puissance peut tre obtenue par lexpression suivante :

(2.18)

Si le facteur dinduction axiale est constant, aprs lintgration sur la surface du

disque, on peut calculer la puissance de lolienne :

(2.19)

Le coefficient de puissance est calcul en divisant la puissance de lolienne par

la puissance disponible du vent :

(2.20)

Aussi, le coefficient de force axiale (pousse) est :

(2.21)

Lintensit de la pousse axiale de lcoulement sur le rotor est directement lie

la variation de lnergie cintique. Betz [25] a dmontr que la puissance

thorique maximale rcuprable par une olienne est gale 16/27 de la

puissance totale du vent qui traverse librement la mme surface balaye par

lolienne. De plus, il a montr que cette limite est atteinte pour , lorsque

lolienne freinera le vent dun tiers de sa vitesse initiale lamont. Le coefficient

de puissance maximum est donn en drivant lexpression (2.20).

(2.22)

Lannulation de (2.22) implique un facteur dinduction minimal a = 1/3, conduisant

immdiatement la limite de Betz:

593,027

16max

PC

(2.23)

Celle-ci est la limite thorique, o seul 59,3% est rcuprable.

27

Par ailleurs, en raison de la rotation de lolienne, lair qui traverse un anneau

lmentaire du disque sera anim dune vitesse tangentielle, (Fig. 2.5). Cette

vitesse est nulle linfini amont et vaut linfini aval, o a est le coefficient

dinduction tangentielle. Ainsi, le couple lmentaire de lanneau est gal la

variation du moment cintique de lair qui le traverse :

(2.24)

La puissance correspondante est . En crivant son galit avec lexpression

(2.18) et avec lintroduction de la rapidit spcifique , on peut obtenir la

relation entre la vitesse induite axiale et la vitesse induite tangentielle :

(2.25)

La Fig. 2.6 reprsente les vitesses et les forces appliques sur un lment de pale

la position radiale r. La vitesse tangentielle dun lment de pale est , et la

vitesse tangentielle de lcoulement est ce qui signifie que la vitesse

tangentielle relative au profil est (1+ ) .

Les forces de portance et de trane sont values laide de la vitesse

rsultante, qui prend en compte les vitesses induites axiale et tangentielle, qui

varient le long de la pale.

Fig. 2.5 Vitesse tangentielle travers l'olienne

28

En prenant la vitesse induite axiale en compte, la vitesse relative dans la direction

axiale sexprime ainsi (voir Fig. 2.6) :

(2.26)

Donc, la vitesse relative dans la direction tangentielle est :

(2.27)

On ne peut pas calculer directement le facteur dinduction axiale et le facteur

dinduction tangentielle, car langle dcoulement dpend des vitesses induites

comme :

(2.28)

Fig. 2.6 Forces agissant sur un lment de pale

La vitesse relative de lcoulement par rapport au profil rsulte de la composition

de la vitesse axiale corrige et de la vitesse tangentielle due la rotation; soit :

(2.29)

Les angles correspondants sont :

29

(2.30)

Ces quations obtenues par la combinaison du thorme de quantit de

mouvement angulaire et de la thorie de llment de pale permettent de

dterminer lvolution radiale des facteurs dinduction. Il est noter que cette

thorie nest plus valable pour une valeur de facteur dinduction axiale au-del de

0,35 puisque, pour des valeurs leves, la vitesse du vent tend vers zro laval;

ce qui nest pas possible physiquement.

La thorie de Glauert est satisfaisante pour la conception doliennes, mais

cause dhypothses simplificatrices, cette mthode nest pas adaptable pour le

dcrochage dynamique [22]. Malgr les limitations associes cette mthode,

celle-ci est la plus utilise dans les applications industrielles des oliennes grce

sa simplicit et sa rapidit de calcul.

2.2.3 Mthode tourbillonnaire de la ligne portante

Cette mthode trs simple est introduite par Ludwig Prandtl (1918) pour les ailes

et Nikola Joukovski (1912) pour les hlices. Ici, la pale du rotor est remplace par

une ligne portante avec une distribution de tourbillons attachs qui crent la

portance (Fig. 2.7). La portance, pour lunit de longueur de laile, peut tre

calcule selon le thorme de Kutta-Joukovski :

Ici reprsente la circulation du tourbillon attach au point considr de la ligne

portante.

La mthode de la ligne portante, applique aux oliennes, remplace lcoulement

travers le rotor, par un coulement travers un systme tourbillonnaire

quivalent. Le systme comporte les tourbillons dits attachs qui reprsentent

les pales. Ces tourbillons tournent la mme vitesse angulaire que le rotor olien

et crent une portance quivalente aux pales.

Cependant, selon le thorme de Helmholtz, le tourbillon doit tre ferm et ne

peut finir (ou natre) lintrieur de lcoulement.

Ainsi, aux extrmits de la pale, apparaissent les tourbillons marginaux qui se

referment linfini, laval de lolienne. Ces tourbillons ne subissent aucune force

et se meuvent avec lcoulement [29].

(2.31)

30

(2.32)

O est la vorticit. Contrairement aux tourbillons marginaux dune aile, les

tourbillons marginaux dun rotor olien sont hlicodaux. Pour valuer les forces

arodynamiques le long de la pale, le vecteur de la vitesse de rfrence est

prsent comme une somme de la vitesse en amont et des vitesses induites par

les tourbillons attachs et libres.

Fig.2.7 Systme tourbillonnaire du rotor

2.2.4 Mthode hybride

Cette mthode couple la thorie de llment de pale et un solveur des quations

de Navier-Stokes. La mthode de calcul est interactive. Au dbut de chaque

itration, partir de lcoulement incident et des proprits arodynamiques du

profil, la thorie de llment de pale calcule les efforts arodynamiques appliqus

sur les pales. Ces forces sont appliques dans le domaine de la simulation de

lcoulement comme des termes sources ou une discontinuit de pression. Puis,

le solveur des quations de Navier-Stokes calcule le champ de vitesse rsultant.

Le champ obtenu est compar celui de litration prcdente et en cas de

convergence, le calcul sarrte.

Il existe trois types de modles hybrides pour modliser lcoulement autour dun

rotor olien. Le modle le plus simple est le disque actif. Celui-ci reprsente le

31

rotor par une surface circulaire ou par une tranche cylindrique de petite paisseur.

Les forces arodynamiques sont reprsentes soit par une discontinuit de

pression cre sur la surface, soit par des termes sources rpartis dans le volume

de la tranche cylindrique, comme le montre la Fig. 2.8 (b). Cependant, ce modle

ne reprsente pas les pales individuellement, et les forces arodynamiques sont

rparties uniformment dans la direction circonfrentielle.

(a) (b) (c) (d)

Fig. 2.8 Reprsentation (a) gomtrie complte (b) disque actif (c) ligne active

(d) surface active [77]

Par contre, le modle de la ligne active permet de reprsenter chaque pale du

rotor individuellement. Ici, les forces arodynamiques sont distribues comme des

termes sources autour de laxe de la pale. Ces termes sources sont dtermins

partir de lcoulement en amont et des caractristiques arodynamiques des

profils de la pale. Ce modle permet de bien reproduire les tourbillons marginaux

issus des extrmits des pales, mais la rpartition de lintensit des termes

sources ne reprsente pas correctement les perturbations locales cres par la

pale. La reproduction de ces perturbations est importante parce que le champ de

vitesse la sortie du rotor constitue les conditions initiales de dveloppement du

sillage.

Par ailleurs, cest le modle de la surface active qui tient compte des perturbations

locales des profils de la pale, et donc celui-ci est plus proche de la ralit. Dans ce

modle, la pale est remplace par une surface de discontinuit de pression. La

forme de cette surface concide avec la surface moyenne de la pale et la

discontinuit de pression impose sur la surface, qui correspond la diffrence des

pressions extrados-intrados cre par la pale. En rsultat, la vitesse induite

par la surface active est trs proche de celle de la pale relle.

32

2.3 Mthodes base sur la gomtrie complte

Ces mthodes pour calculer lcoulement autour des rotors oliens sont bases

sur la simulation complte des pales avec leur gomtrie relle. Les mthodes les

plus prcises sont bases sur la rsolution des quations de Navier-Stokes ; elles

peuvent rsoudre lcoulement autour de gomtries trs complexes, sans ou

avec dcollement et mme en cas doliennes en drapage. Cependant, elles

exigent des moyens informatiques puissants et le temps de calcul est excessif.

Lapproche de simulation complte base sur les mthodes potentielles permet un

calcul relativement rapide. Ici, la gomtrie des pales est reprsente exactement

et elle est constitue des surfaces de singularits de type tourbillon ou diple. Les

mthodes tourbillonnaires utilisent le modle du sillage prescrit ou le modle du

sillage libre [14, 15]. Le modle du sillage libre est mieux adapt aux calculs des

oliennes o le sillage nest pas cylindrique [32]. Ces mthodes sont largement

utilises pour lanalyse des hlices marines ou des rotors dhlicoptres [10, 18,

19, 23, 30]. Leur prcision est satisfaisante dans labsence de dcollements qui

contredisent lhypothse dexistence dun potentiel de vitesse. Il existe galement

une mthode hybride [93] qui couple la simulation complte par les quations de

Navier-Stokes avec une mthode qui calcule la vitesse induite au niveau du rotor

laide de modle de sillage libre ou prescrit [89].

Grce la puissance de calcul accrue depuis ces dernires annes, la rsolution

des quations de Navier-Stokes est devenue prfrable pour la modlisation des

coulements complexes. Pour modliser lcoulement autour des oliennes, un

maillage de haute qualit est ncessaire. Il est noter, quune bonne modlisation

de la couche limite, ncessaire pour calculer prcisment lcoulement autour des

pales, exige une puissance et un temps de calcul important, aussi bien que la

modlisation du sillage.

Souvent, les chercheurs utilisent le maillage de type Chimere pour simplifier la

construction dun maillage complexe, et dans le cas dune structure tournante, le

rotor est dcoupl du reste des composantes qui sont fixes (mt ou fuselage). Ici,

plusieurs maillages structurs se recouvrent partiellement, afin dviter un maillage

global dans les cas des gomtries complexes. Un exemple de tel maillage est

reprsent sur la Fig. 2.9. Il existe galement les tudes menes avec des

maillages non-structurs (pour plus dtail, voir Sezer-Uzol [88]).

Dans les premiers travaux sur la simulation complte dolienne par rsolution des

quations de Navier-Stokes, on peut citer ceux de Sorensen et Hansen [85]. Les

rsultats de simulation obtenus sont satisfaisants en gnral. Nanmoins, quand

33

la vitesse du vent dpassait 10m/s et les angles dincidence augmentaient le long

de pale, la simulation ne pouvait pas calculer la puissance du rotor avec prcision.

Fig. 2.9 Le maillage autour de la tour, de la pale et le champ lointain [91]

2.4 Evaluation des mthodes adaptes pour la simulation des

parcs oliens

Les mthodes couramment utilises pour la modlisation dcoulement travers

des oliennes sont dcrites sur la Fig. 2.10. La mthode la moins exigeante, pour

la puissance du calcul, est la mthode de llment de pale, qui est la moins

prcise pour modliser lcoulement autour des oliennes. La mthode base sur

les quations de Navier-Stokes est la plus puissante et elle est capable de

calculer la performance arodynamique dune olienne avec une bonne prcision,

mais le temps de calcul est prohibitif, sil sagit dun cas du parc olien. La

modlisation hybride qui couple un modle simplifi du rotor et un solveur des

quations de Navier-Stokes est le meilleur compromis entre la prcision et le

temps de calcul.

34

Fig. 2.10 Comparaison des diffrentes mthodes de modlisation des oliennes par rapport la puissance et la prcision du calcul

Les approches bases sur lquation du potentiel de vitesse sont rapides et bien

adaptes pour la modlisation dcoulement aux faibles angles dincidence. Mais,

en fait, les oliennes fonctionnent frquemment aux angles de dcrochage et, par

consquent, ces mthodes ne sont pas adaptes pour simuler lcoulement

travers les oliennes, dans un parc.

Le tableau 2.1 montre la comparaison des diffrentes mthodes arodynamiques

avec la puissance du calcul requise afin de calculer les performances

arodynamiques des oliennes.

Dans ce travail, on sintresse lefficacit des mthodes pour simuler le sillage

des oliennes dans un parc. La thorie de llment de pale et la thorie de

Glauert ne sont pas capables de calculer le sillage des oliennes, tandis que, les

mthodes bases sur la simulation complte et notamment les quations de

Navier-Stokes peuvent calculer le sillage, mais les restrictions lies la puissance

du calcul dlimite ces mthodes pour simuler plusieurs machines dans un parc

olien.

35

Type de modlisation

Mthodes Prcision du calcul

Puissance du calcul

Calcul du Sillage

Base sur arodynamique

du profil

Thorie de llment de pale faible Faible Non

Thorie de Glauert faible Faible Non

Mthode tourbillonnaire Moyenne Moyenne Oui

Mthodes hybrides

Disque actif Faible

Haute Oui Ligne active Moyenne

Surface active Haute

Base sur la simulation complte

Equations de Navier- Stokes Trs haute

Trs haute Oui

Equations d'Euler Moyenne Moyenne Oui

Mthodes potentielles Moyenne Moyenne Oui

Hybride NS- potentielle Haute Haute Oui

Tableau 2.1 Comparaison des mthodes arodynamiques et la possibilit de calcul

du sillage

Cependant, les mthodes hybrides bases sur larodynamique du profil sont bien

capables de reproduire le champ dcoulement. Ces mthodes reprsentent les

pales dolienne avec les forces quivalentes exerces sur lcoulement, et par

consquent, on na pas besoin de modliser la couche limite parce quil nexiste

pas de surfaces rigides. Parmi les diffrents modles hybrides, le modle le plus

proche de la ralit est celui de la surface active, qui prend en compte les

perturbations locales venant de la prsence des profils des pales.

Dans ce travail, aprs lanalyse des mthodes arodynamiques utilises pour

modliser lcoulement travers des oliennes, le modle hybride de surface

active est utilis pour amliorer la reprsentation des charges arodynamiques sur

la pale dolienne.

2.5 Conclusion

Dans ce chapitre, on a analys les mthodes arodynamiques couramment

utilises pour la modlisation des oliennes et le calcul dcoulement travers le

rotor et dans le sillage. Les mthodes sont classes en deux catgories, selon

lintrt port dans ce travail: les mthodes de simulation complte bases sur la

gomtrie relle des pales et les mthodes bases sur larodynamique du profil.

36

Les mthodes de la simulation complte consistent modliser lolienne avec la

gomtrie relle des pales. Elles sont bases soit sur la rsolution des quations

de Navier-Stokes, soit sur les mthodes potentielles. Les mthodes bases sur la

rsolution des quations de Navier-Stokes se heurtent aux difficults des moyens

de calcul pour simuler lensemble des oliennes dans un parc olien avec la

gomtrie relle. Lapproche de simulation complte base sur les mthodes

potentielles peut utiliser le modle du sillage prescrit ou le modle du sillage libre.

Le modle du sillage libre est mieux adapt aux calculs des oliennes o le sillage

nest pas cylindrique. Par contre, il exige une puissance de calcul prohibitive et

dans certains cas il est divergent. Pour rduire le cot de calcul, il existe une

mthode hybride qui couple la simulation complte des quations de Navier-

Stokes pour la gomtrie relle du rotor avec la mthode potentielle pour le calcul

du sillage.

Les mthodes de la simulation complte sont capables de calculer avec une

bonne prcision les caractristiques arodynamiques des oliennes. Par contre, la

ncessit dune puissance de calcul trs leve ne permet pas dutiliser ces

mthodes pour la simulation de plusieurs machines installes dans un parc.

Contrairement aux mthodes de la simulation complte, celles bases sur

larodynamique du profil simplifient le calcul des forces arodynamiques

appliques aux pales. Ces mthodes sont bases sur la division de la pale en

plusieurs tranches. A partir des caractristiques arodynamiques du profil et de la

vitesse en amont, les efforts arodynamiques sur chaque tranche sont calculs. Et

en intgrant toutes les forces lmentaires agissant sur les tranches, les efforts

arodynamiques peuvent tre obtenus et par consquent la puissance de

lolienne aussi.

Parmi les mthodes bases sur larodynamique du profil, la mthode de la

thorie de llment de pale est la plus simple. Cette mthode ne prend pas en

compte le ralentissement de vitesse d lextraction de lnergie cintique du vent

et les rsultats obtenus ne sont pas satisfaisants. En fait, ce ralentissement est

important et devient 1/3 de la vitesse lamont, quand lolienne extrait un

maximum dnergie daprs la limite de Betz [34]. Par ailleurs, ce ralentissement

est pris en compte par la thorie de Glauert et la vitesse dans le plan du rotor est

calcule laide du thorme de quantit de mouvement. Cette vitesse peut varier

radialement, mais dans la direction azimutale, elle est moyenne et lindividualit

des pales nest pas prise en compte.

Les mthodes bases sur larodynamique du profil, capables de prendre en

compte la prsence de chaque pale individuellement, sont des mthodes

tourbillonnaires. La mthode la plus simple est celle de la ligne portante. Elle

consiste remplacer lcoulement rel travers le rotor par un coulement au

37

travers dun systme tourbillonnaire quivalent. Les pales sont remplaces par

des tourbillons attachs, et qui crent des forces arodynamiques quivalentes.

Selon le thorme de Helmholtz, la variation de la circulation le long des pales

cre les tourbillons libres. Dans ce modle, la vitesse lamont de la pale,

ncessaire pour le calcul des forces arodynamiques, est gale la somme de

toutes les vitesses induites par les tourbillons libres et attachs ainsi que la vitesse

du vent. Les rsultats de cette mthode sont meilleurs par rapport aux rsultats de

la mthode de Glauert. Cependant, cette mthode ne prend pas en compte la

diffusion du sillage laval du rotor, donc elle nest pas adapte aux tudes des

parcs oliens.

Les mthodes capables de tenir compte de la variation de vitesse dans le plan du

rotor et de la diffusion du sillage, comme la simulation complte des quations de

Navier-Stokes pour la gomtrie relle, sont des mthodes hybrides. Ces

mthodes consistent coupler lapproche base sur llment de pale avec un

solveur des quations de Navier-Stokes. Ce type de modlisation constitue le

meilleur compromis entre la prcision et le temps de calcul lors de ltude des

parcs oliens. Dans ce travail, on a choisi cette mthode grce sa capacit de

reprsenter lensemble les forces arodynamiques sur le rotor olien et

lcoulement au sillage. De plus, dans ces mthodes hybrides, les oliennes sont

remplaces par des forces quivalentes et il ny a pas de surfaces rigides. Par

consquent, il ny a pas besoin de modliser la couche limite. Ainsi, le nombre de

cellules est rduit de faon significative au voisinage du modle hybride.

38

Partie B

Modle hybride propos

39

Chapitre 3.

Proposition dun modle hybride intgrant les forces

tangentielles dans lvaluation des charges

arodynamiques

3.1 Introduction

Dans ce chapitre, on analyse les modles hybrides existants pour la modlisation

des rotors oliens. Afin didentifier amlioration de la modlisation hybride, on a

mene une tude sur les donnes exprimentales dune olienne de NREL Phase

VI. Ces donnes a permis de calculer le coefficient des forces normales et des

forces tangentielles, et leurs rapport en fonction de langle dincidence. Cette

analyse des forces a permis damliorer la reprsentation des charges

arodynamique sur une pale. Lamlioration concerne le modle de surface active

et la prise en compte de lensemble des forces normales et tangentielles.

La modlisation hybride consiste coupler la mthode de llment de pale avec

un solveur des quations de Navier-Stokes ou dEuler. La mthode de llment

de pale calcule les charges arodynamiques des pales partir de lcoulement

incident et des proprits arodynamiques du profil. Par la suite, ces charges sont

traduites par des forces volumiques ou par des forces surfaciques appliques

dans le domaine de calcul de simulation numrique. En effet, ces forces

permettent de modliser linfluence du rotor olien sur lcoulement.

Il sagit de trois types de modles hybrides, selon la faon de simplifier la

gomtrie du rotor :

Modle du disque actif,

Modle de la ligne active,

Modle de la surface active.

Le modle le plus simple est celui du disque actif. Il reprsente le rotor par un

disque permable qui cre une discontinuit de pression, ou par une tranche de

cylindre qui contient des termes sources. Dans ce modle, les efforts

arodynamiques sont repartis sur toute la surface balaye par les pales du rotor.

Le modle de la ligne active remplace la pale par des termes sources distribus

dans le volume autour dune ligne qui concide avec laxe de la pale. Les termes

sources sont calculs partir de lcoulement en amont et des proprits

arodynamiques des profils de la pale. Le modle de la surface active est le plus

40

proche de la ralit et il remplace les pales relles par les surfaces moyennes des

pales. Ici, les forces appliques aux pales sont reprsentes par une discontinuit

de pression impose sur la surface moyenne. Cette discontinuit de pression peut

tre calcule partir de lcoulement lamont et des proprits arodynamiques

des profils de la pale.

3.2 Modles hybrides appliqus aux rotors oliens

Le calcul du champ de vitesse laide de la modlisation hybride est men en

utilisant les quations de Navier-Stokes. Pour un fluide visqueux non-

compressible traversant le rotor olien, ces quations scrivent :

(3.1)

o reprsente les forces volumiques ou surfaciques selon la gomtrie du

modle hybride. Ces forces, utilises pour modliser les charges arodynamiques

des pales des rotors oliens, sont dtermines partir des caractristiques

arodynamiques du profil et de la vitesse incidente et en utilisant lapproche de

llment de pale.

3.2.1 Modle hybride du disque actif

Le disque actif est le modle hybride le plus simple, avec un disque axisymtrique

et permable [45] (Fig. 3.1). La surface du disque actif concide avec la surface

balaye par le rotor olien. Ce modle reprsente le rotor, soit par une surface de

discontinuit de pression [9], soit par des termes sources distribues

uniformment ou non-uniformment [38, 39, 42, 50].

Lapproche du disque actif a t adopte par plusieurs chercheurs [41, 43, 44, 53]

pour tudier les caractristiques du sillage olien. Cette approche a t

initialement utilise pour modliser lcoulement des rotors dhlicoptres [11, 12,

47, 48]. Fejtek et al. [46] ont appliqu la mthode du disque actif, laide de

llment de pale, pour tudier le sillage issu du rotor dhlicoptre. Ces travaux

ont t utiliss ensuite par Sorensen et al. [43] afin dtudier le sillage

instationnaire des oliennes. Ammara et al. [52] ont propos des mthodes pour

appliquer le modle du disque actif ltude de linteraction du sillage dans un

parc olien, et de linfluence de la stratification thermique dans la couche limite

atmosphrique. La mthode de modlisation des efforts non-uniforme t

formule par Wu [45]. Le calcul numrique par Wu est rapide mais moins prcis

41

que le calcul ralis laide des quations de Navier-Stokes [49]. Par ailleurs,

Jourieh [41] a utilis cette approche en considrant le disque actif comme une

surface de discontinuit qui reprsente le rotor olien.

Fig. 3.1 Concept du disque actif

Le modle hybride du disque actif utilise la mthode de llment de pale pour le

calcul des charges arodynamiques sur le rotor olien, et un solveur des

quations de Navier-Stokes pour simuler le champ de vitesse. Pour un

coulement visqueux, le systme dquations de Navier-Stokes (3.1), formules

en coordonnes cylindriques, devient :

(3.2)

o reprsente les efforts arodynamiques. Ceux-ci peuvent tre imposs soit

comme un saut de pression dans le cas o le disque actif est reprsent par une

surface discontinue, soit comme des termes sources distribus lintrieur dune

tranche cylindrique o le modle est reprsent par un disque de faible paisseur.

Les forces sont distribues uniformment sur un anneau du disque de

volume , o E reprsente lpaisseur du disque.

En appliquant la thorie de llment de pale (prsent 2.2.1), la force axiale

exerce par le rotor sur lcoulement est :

42

(3.3)

En divisant lexpression 3.3 par lpaisseur du disque E, lintensit des termes

sources, dans le sens axial dcoulement, peut tre obtenue :

(3.4)

Ainsi, la force tangentielle dans le sens tangentiel est :

(3.5)

En divisant lexpression (3.5) par lpaisseur du disque E, lintensit des termes

sources, dans le sens tangentiel, peut tre obtenue :

(3.6)

Si le disque est reprsent par une surface de discontinuit de pression, ce

dernier est modlis selon lintensit des forces axiales uniquement o les termes

sources dans le sens tangentiel ne sont pas pris en compte :

(3.7)

En calculant la vitesse relative au profil W dans le plan de rotation laide de la

mthode de llment de pale, on peut valuer les forces arodynamiques par

(3.4) et (3.6) ou la discontinuit de pression par (3.7).

Cette mthode est rapide pour le calcul de la puissance de lolienne. En

revanche, celle-ci nest pas adapte pour tudier le sillage proche [13] des pales

puisque le disque actif ne prend pas en compte la prsence dun nombre fini de

pales.

Enfin, on prsente certains rsultats obtenus par des chercheurs laide du

modle de disque actif. Jourieh [41] a montr la cohrence des rsultats issus de

simulation numrique en les comparants avec les donnes exprimentales des

oliennes de NREL phase II et phase VI. Il a pu trouver globalement un bon

accord entre la puissance simule et celle mesure, mais un cart existe dans la

zone de dcrochage (voir Fig. 3.2, droite).

43

Fig. 3.2 Comparaison des puissances entre le modle hybride de Disque actif et les

donnes exprimentales, NREL phase II ( gauche) et NREL phase VI ( droite) [41]

Par ailleurs, Leclerc et al. [78] ont calcul la puissance de lolienne NREL phase

IV en utilisant le modle du disque actif et en prenant en compte les effets

tridimensionnels (Fig. 3.3).

Fig. 3.3 Comparaison de puissance de modle hybride du disque actif et les donnes

exprimentales, NREL phase IV ( gauche) et Tjaereborg turbine ( droite) [78]

44

3.2.2 Modle hybride de la ligne active

Le modle du disque actif, prsent prcdemment, peut reprsenter le sillage

lointain des rotors oliens. Mais comme ce modle remplace le rotor olien par

une surface, les pales ne sont donc pas reprsentes. Ainsi, lcoulement la

sortie du rotor ne peut pas tre reproduit correctement et les tourbillons marginaux

issus de chaque pale ne sont pas prsents dans le sillage calcul. Notons que le

sillage proche est une condition initiale pour le calcul du sillage lointain. Afin

damliorer la reprsentation du sillage olien, le modle hybride de la ligne active

a t dvelopp par Sorensen et Shen [40].

Dans ce modle, les forces sont rparties comme des termes sources [16, 53]

dans le solveur des quations de Navier-Stokes, autour de laxe des pales (Fig.

3.4). Il faut rappeler que dans tous les modles hybrides, les pales doliennes

sont remplaces par des forces quivalentes exerces par le rotor sur

lcoulement. Par consquent, il ny a aucun besoin du maillage de la couche

limite, tant donn que les surfaces rigides nexistent pas dans la modlisation

hybride des oliennes.

Fig. : 3.4 Modle hybride de la ligne active

Mikkeleson [49] a galement utilis le modle de la ligne active, mais avec une loi

de Gauss pour distribuer les forces arodynamiques dans le plan normal la

ligne. Cependant, le choix des paramtres de la loi de Gauss est une question

dlicate parce que les gradients de vitesse calculs en dpendent. Pour

surmonter ce problme, Jourieh [41] (LMF, Arts et Mtiers ParisTech) a propos

un modle dit cylindre actif o les forces volumiques sont uniformment

45

rparties dans un cercle autour de la ligne active. Une tude de comparaison

entre le champ dcoulement autour de cercles de diffrents diamtres et le

champ du vrai profil de pale a permis de dterminer un diamtre optimum du

cylindre .

Lintensit des termes sources dans la direction axiale est telle que :

(3.8)

reprsente le diamtre du cylindre actif.

ainsi dans le sens tangentiel :

(3.9)

Les rsultats obtenus laide de cette modlisation sont satisfaisants mais

linformation aux extrmits des pales est insuffisante, tant donn que la corde

est considre comme uniforme ; ce qui nest pas le cas dans la ralit o la

corde varie le long de la pale.

La Fig. 3.5 montre les rsultats obtenus par Sorensen et Shen concernant la

puissance mcanique en fonction de la vitesse du vent de lolienne Nordtank

500/41 [57]. Jusqu 12 m/s, un bon accord est observ entre les rsultats

exprimentaux et le modle de la ligne active, mais au del de cette vitesse du

vent, un cart de 5% est observ. Cela peut tre d des donnes

bidimensionnelles obtenues la soufflerie et appliques au cas tridimensionnel.

Fig. 3.5 Comparaison de la puissance mcanique entre le modle de ligne active

et olienne Nordtank 500/41 [57]

46

Jourieh [41] a montr (voir Fig. 3.6) la bonne corrlation entre la modlisation

hybride de cylindre actif et les rsultats exprimentaux de NREL phase II et phase

VI. Ici, on constate galement un cart quand la vitesse du vent devient leve et

ceci est d aux mmes raisons voques pour le cas prsent sur la Fig. 3.6.

Fig. 3.6 Comparaison du calcul de la puissance par le modle de cylindre actif avec

les essais doliennes NREL phase II (gauche) et phase VI (droite) [41]

3.2.3 Modle hybride de la surface active

Le modle de la ligne active, prsent prcdemment, prend en compte le nombre

fini des pales, et il reprsente le dveloppement du sillage proche et lointain. Mais

malheureusement, ce modle ne reprsente pas les perturbations locales de

vitesse cres par le profil de pale. Il est noter que le profil de vitesse la sortie

du rotor reprsente les conditions initiales pour le dveloppement du sillage

proche et lointain. Donc, sa reproduction correcte est trs importante afin

dvaluer le dveloppement du sillage. Le modle hybride de la surface active

reprsente mieux la ralit puisquil remplace la pale par sa surface moyenne.

Cette surface est considre comme une surface de discontinuit de pression. La

discontinuit de pression impose sur la surface correspond la diffrence des

pressions extrados-intrados cre par la pale. En rsultat, les perturbations de

vitesse cres par la surface active sont trs proches de celles de la pale relle.

Le modle de surface active permet donc de reprsenter les tourbillons

marginaux des pales, et lcoulement la sortie du rotor, au voisinage trs proche

des pales.

47

Dobrev et Massouh [55] ont propos la premire modlisation laide de la

surface active. Dans leurs travaux, au lieu de rpartir des forces volumiques

comme dans le modle de la ligne active, ils utilisent une distribution de pression

qui varie le long de la corde (voir Fig.3.7) [56]. Pour obtenir la discontinuit de

pression, la mthode de llment de pale est utilise.

Fig. 3.7 Gomtrie de la surface active [56]

Dobrev [83] a men la comparaison du sillage proche dans deux cas : pression

uniformment rpartie sur le profil ainsi quune pression variable. Il a trouv que la

variation de la distribution de pression le long du profil reproduit mieux

lcoulement proche de la ralit que la distribution de pression constante. La

validation de ce modle hybride est faite par lauteur en comparant la puissance

issue de la modlisation de surface active (la variation de la distribution de

pression le long du profil) avec celle issue des mesures sur lolienne NREL S809

phase VI. Lcart entre les rsultats dessais et de modlisation pour les grandes

vitesses (Fig. 3.8) est d l'effet du pompage centrifuge cause de dcrochage.

Fig.3.8 Puissance mesure de lolienne NREL Phase VI et simule laide de

surface active [83]

48

Par ailleurs, Shen et al. [80] ont modlis le comportement arodynamique

dolienne laide de modle de surface active. Ils ont utilis la mthode

tourbillonnaire pour dterminer la force de portance (Fig. 3.9). Dans ce travail cit,

afin de calculer la vitesse relative de lcoulement, la vitesse induite est

dtermine une distance gale de une deux cordes en amont. Les forces

arodynamiques sont ensuite obtenues uniquement en considrant la force de

pression afin de modliser lcoulement autour du profil laide de la surface

active. Ils ont considr que les forces arodynamiques sur le profil sont

uniquement dues la diffrence de forces de pression extrados-intrados . De

plus, la surface active est applique en utilisant les proprits arodynamiques

des profils et en appliquant une correction pour prendre en compte les effets de

rotation en 3D.

Fig. 3.9 Reprsentation schmatique de la modlisation hybride de la surface

active [80]

Shen et al. [80] ont ensuite appliqu leur mthode pour le calcul de lcoulement

autour dune olienne tripale axe horizontal de Nordtank 500kW. Ils ont

galement compar les rsultats issus de modle de ligne active, et ont conclu

que la reprsentation des oliennes est meilleure laide de surface active.

49

Fig.3.10 (a) la vitesse axiale induite (b) la force normale le long de pale [80]

Watters [81] a utilis le concept de surface portante pour appliquer la surface

active afin de calculer lcoulement travers dolienne. Dans son travail, la

surface active est considre comme une surface poreuse qui porte la

discontinuit de pression et de vitesse. Cette surface est dfinie comme une

nappe tourbillonnaire qui cre la force de portance. Watter et Masson [58] ont

aussi appliqu le modle de surface active en cas du profil et en cas de lolienne

(pour plus dtails, voir [60]). Schmitz et Chattot [88] ont galement utilis le mme

concept pour le couplage entre un solveur Navier-Stokes avec la mthode

tourbillonnaire pour tudier larodynamique de lolienne.

Fig.3.11 coefficient de (a) puissance (b) pousse, en fonction de [81]

50

3.3 Analyse des rsultats dessais NREL et besoin de

modlisation des forces tangentielles sur les profils de pale

Lolienne NREL Phase VI (Fig. 3.12) est tudie ici afin danalyser ses rsultats

exprimentaux. Cette olienne bipale, de 10 mtres de diamtre et conue avec

un profil S809, a t teste en soufflerie par la NASA Ames [79]. Ces essais

constituent une base de donnes importante pour analyser les proprits

arodynamiques de lolienne. A laide de ces donnes, limportance des forces

tangentielles sur la pale par rapport aux forces normales, sera value ici.

A laide de ces essais, on calcule les forces tangentielles et les forces normales en

fonction de langle dincidence aux diffrents profils instruments. Pour cela, une

des deux pales de cette olienne est dcoupe en cinq tranches et chaque

tranche reprsente un profil.

Fig.3.12 Eolienne NREL Phase VI dans la soufflerie de la NASA Ames [76]

Les cinq profils, diffrents rayons le long de la pale, sont instruments laide de

cinq trous avec des capteurs de pression et des tubes de Pitot Fig.3.13. Afin de

mesurer la pression statique sur lextrados et sur lintrados, le vecteur de vitesse

en amont de chaque tranche est mesur par un tube de Pitot. Un tableau de

51

donnes, pour les coefficients de forces normale et tangentielle en fonction de

l'angle d'incidence le long de la pale, est cr partir des mesures obtenues

durant les essais.

Dans ces essais, langle de calage en bout de pale, de 3, est orient face au

vent. Le nombre de Reynolds est de . A laide dinterpolations, deux

fonctions bidimensionnelles sont cres: et . Le

coefficient de force normale et le coefficient de force tangentielle dpendent de

langle dincidence et du rayon relatif de la pale. Etant donn, le rayon relatif r/R et

langle d'attaque obtenus, les coefficients de force normale et de force

tangentielle sont calculs selon les quations 3.6 et 3.7. Par la suite, selon la

rpartition de la pression, les valeurs des forces normales et tangentielles sont

obtenues.

Fig.3.13 Pale instrumente avec des capteurs de pression et les tubes de Pitot

cinq trous [76]

Les rsultats de cette tude sont prsents en Fig.3.14, o r/R reprsente chaque

rayon de pale dolienne teste en fonction de langle dincidence. La force

normale et la force tangentielle sont calcules le long de la pale en fonction de

plusieurs angles dincidence. On constate sur ces rsultats quaux angles

dincidence faibles, les coefficients de force tangentielle sont faibles par rapports

aux coefficients de force normale. Mais, au del dun angle dincidence de 10, le

coefficient de force tangentielle augmente et devient non-ngligeable.

52

Rappelons que les pales doliennes fonctionnent aux angles dincidence levs.

Les rsultats de cette analyse sur lolienne de NREL Phase VI, montre que les

forces tangentielles sont de lordre de 10 20%, comme le montre la Fig. 3.15. La

rpartition de langle de lincidence le long de la pale pour diffrentes vitesse du

vent est reprsente sur la Fig. 3.16. Il en rsulte que ces forces tangentielles

sont importantes et doivent tre prises en compte quand on modlise lcoulement

travers doliennes laide du modle de surface active.

Fig.3.14 Coefficients de forces en fonction de langle dincidence : forces normales

( gauche); forces tangentielles ( droite)

Fig. 3.15 Rapport des coefficients de

forces Fig. 3.16 La rpartition de langle

dincidence le long de la pale

53

3.5 Conclusion

Dans ce chapitre, on a analys les diffrents modles hybrides existants et le

besoin damlioration du modle de surface active. Cette amlioration est

ncessaire pour mieux reprsenter lcoulement travers lolienne et dans le

sillage. Ainsi, une reprsentation correcte des charges arodynamiques exerces

par lolienne sur lcoulement a t propose.

Lanalyse des modles hybrides existants montre que le modle le plus simple est

celui du disque actif. Ce modle reprsente le sillage lointain, mais il ne

reprsente pas les pales individuellement. Par consquent, les tourbillons

marginaux ne sont pas reproduits. On a pu constater que le modle de la ligne

active, qui prend en compte chaque pale du rotor, permet de modliser le sillage

des pales. Ainsi, les tourbillons marginaux sont reprsents, mais la distribution

des termes sources autour de laxe de la pale, ne reproduit pas correctement les

perturbations locales cres par les profils des pales. Par contre, le modle le plus

proche de la ralit est celui de la surface active, qui permet de bien reprsenter

les tourbillons marginaux et lcoulement la sortie du rotor, au voisinage trs

proche des pales. Ainsi, les conditions initiales pour le calcul du sillage proche et

lointain sont amliores.

Tous les travaux antrieurs de modlisation hybride par la surface active ngligent

les forces tangentielles le long de la corde du profil des pales. Dans ces travaux,

les chercheurs supposent que ces forces tangentielles nont pas dinfluence sur

lcoulement par rapport aux forces normales. Mais dans ce travail, lanalyse des

donnes exprimentales de lolienne de NREL Phase VI a mis en vidence que

pour certains angles dincidence, les forces tangentielles sont non-ngligeables.

Le calcul men rvle que les forces tangentielles sont de lordre de 10 20% par

rapport aux forces normales. Evidement, il est trs important de les modliser, afin

de mieux reprsenter le sillage olien.

54

Chapitre 4.

Validation du modle propos dans le cas de

lcoulement autour dun profil

4.1 Introduction

Dans ce chapitre, on prsente la simulation bidimensionnelle de la gomtrie

complte dun profil de pale et la simulation du mme profil laide des modles

hybrides de ligne active et de surface active.

Ici, la simulation de la gomtrie complte servira comme rfrence pour la

comparaison avec les rsultats des modles hybrides. Pour valider la simulation

du profil de pale, les coefficients de portance et de trane issus du calcul sont

compars aux rsultats exprimentaux issus de la soufflerie de luniversit de

Delft pour un nombre de Reynolds de . Les forces arodynamiques du profil,

ainsi que la distribution de la pression, issues de la simulation de rfrence, sont

extraites pour tre utilises dans la modlisation hybride.

Dans le modle de la ligne active, les efforts arodynamiques sont appliqus

comme des termes sources uniformment rpartis lintrieur dun cercle centr

sur de la corde du profil. Dans le cas de la surface active, ces efforts sont

appliqus sous forme de discontinuit de pression impose sur une ligne,

concidente avec la corde du profil. La rpartition de cette discontinuit correspond

la diffrence de pression extrados-intrados venant de la simulation avec la

gomtrie complte du profil. Pour reproduire les forces tangentielles, dans le

modle amlior, ces forces sont reprsentes par des termes sources au

voisinage de la ligne de discontinuit de pression.

Pour montrer lefficacit du modle propos, la comparaison est faite pour

plusieurs angles dincidence. Dans ces simulations, on compare le champ de

vitesse obtenu avec la gomtrie complte avec ceux obtenus par les diffrents

modles hybrides. Pour faciliter la comparaison des rsultats de calcul des

vitesses laval du profil, dix lignes de contrle quidistantes sont places derrire

le profil. Pour chaque ligne, les vitesses issues de simulation du profil rel sont

compares aux rsultats issus des diffrentes modles hybrides.

55

4.2 Simulation numrique complte de lcoulement autour dun

profil

Une simulation complte dune gomtrie relle de pale dolienne est ralise

afin de servir comme rfrence de comparaison avec les mthodes hybrides

existantes et valider la contribution damlioration pour modliser les charges

arodynamiques dune olienne. Cette proposition a pour but de mieux

reprsenter le champ de vitesse travers des oliennes et le sillage. Pour cela, on

a choisi le profil S809 grce la disponibilit de bases de donnes exprimentales

diverses. Notons que le profil S809, dpaisseur 21%, est spcifiquement conu

pour les oliennes axe horizontal [62].

Fig. 4.1: Profil NREL S809

Pour simuler le profil avec la gomtrie relle du S809 et pour modliser les

modles hybrides, on a cre le mme maillage de 100 000 cellules. Le maillage

est structur et de type H, car la gomtrie utilise nest pas complexe. Il est par

ailleurs bien adapt pour lemployabilit de RANS [60]. Pour le critre de

convergence, la valeur des rsidus est fixe 1.10-5 et les itrations ont t

poursuivies jusqu' la stabilisation des forces de portance et de traine. La vitesse

en amont est fixe 10 m/s comme la vitesse incidente. Lintensit de turbulence

est 2% ; et le modle de turbulence choisi est k- SST [61] qui est connu pour ses

bons rsultats et largement utilis pour la modlisation de lcoulement autour des

profils ou des rotors oliens [35, 36, 73, 74, 75, 90, 93].

Afin de bien visualiser le dveloppement du sillage, on a cr dix lignes de

contrle quidistantes, jusquune distance gale une fois la corde, sur lesquelles

on visualisera le dveloppement du sillage (Fig. 4.2).

56

(a)

(b)

(c) (d)

Fig. 4.2 Maillage et lignes de contrle (a; c) profil S809 (b, d) coupe normale la

surface active

4.2.1 Validation de la simulation

La simulation de la gomtrie complte du profil S809 a t ralise laide du

logiciel FLUENT 6.3. Afin de valider cette simulation, les rsultats obtenus pour les

coefficients de portance et de trane sont compars avec les rsultats dessais

dans la soufflerie de lUniversit de Delft [92].

Lvolution du coefficient de portance en fonction de langle dincidence et en

fonction du coefficient de trane est prsente sur la Fig. 4.3. La comparaison,

montre un bon accord avant le dcrochage de lcoulement. Par contre, un cart

57

est observ au-del de langle du dcrochage. En effet, le dcollement est difficile

simuler avec le solveur RANS.

Le calcul mo