Les impacts de la morphologie urbaine sur le vent : performance d'énergie éolienne à l'échelle de quartier

par Biao Wang

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Luc Adolphe et de Léa Cot.

Soutenue le 08-04-2015

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....) (laboratoire) et de Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions [Toulouse] [LMDC] (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Inard.

Le jury était composé de Luc Adolphe, Léa Cot.

Les rapporteurs étaient Christian Inard, Marjorie Musy.


  • Résumé

    Ce travail vise à modéliser la propagation du vent par des techniques de simulation de CFD dans des tissus urbains contrastés à l’échelle du quartier (450m × 450m) afin d'évaluer les impacts de la morphologie urbaine sur le potentiel énergétique éolien. Face aux problèmes environnementaux locaux et globaux, le développement des énergies renouvelables devient de plus en plus urgent à l’échelle mondiale. Notre objectif est d’adapter la morphologie urbaine au développement du captage de l’énergie éolienne. Pour ce faire, deux questions fondamentales sont posées : quels sont les impacts de la morphologie urbaine sur l'écoulement du vent dans la ville ? Comment évaluer le potentiel énergétique éolien de la ville ? Nous partons d’une synthèse bibliographie sur les trois domaines : l'énergie éolienne urbaine, la morphologie urbaine et la simulation aéraulique. Les avantages et les inconvénients des éoliennes urbaines sont discutés. Des indicateurs de morphologie urbaine sont ainsi proposés. Les méthodes de simulation CFD (Mécanique des fluides numérique) sur l'écoulement du vent autour de bâtiments sont présentées. Des nouvelles technologies et des méthodes d'intégration architecturale de petites éoliennes sont ainsi présentées. Pour valider notre modèle, nous faisons une étude approfondie des paramètres du code ANSYS FLUENT avec la référence des données d’un benchmark issu d'expérimentations en soufflerie. Plusieurs méthodes de vérification avant et après les simulations sont proposées. Après validation de notre modèle, des simulations de formes simples sont faites. Avec un bâtiment, deux bâtiments et trois bâtiments, les impacts de différents paramètres simples de configuration sont analysés. En raison de leur efficacité et de leur faisabilité, l'évaluation énergétique est principalement faite au-dessus des toits de bâtiments. Les effets de la concentration du vent au-dessus des toits sont ainsi évalués. Nous simulons ensuite des modèles morphologiques plus complexes, par l’évaluation du potentiel éolien dans six quartiers de formes urbaines typiques dans le monde et favorables pour exploiter l'énergie éolienne. Treize indicateurs morphologiques ayant potentiellement une influence sur l'écoulement du vent sont proposés. Des analyses de cohérence entre les indicateurs morphologiques et les indicateurs d'évaluation de l'énergie éolienne au-dessus des toits sont faites. Ensuite, des variantes de formes urbaines typiques sont étudiées. L’influence de certaines modifications de ces prototypes sur le potentiel éolien est étudiée et les prototypes les plus favorables pour l'exploitation de l'énergie éolienne sont proposés. L'énergie éolienne dans un quartier existant à Pekin est ensuite évaluée. Des conditions locales (formes physiques, climat, aspects socio-économiques) sont considérées pour évaluer la faisabilité du développement de l’énergie éolienne. L'emplacement et le choix des techniques d’éoliennes urbaines adaptées sont discutés. Enfin, une méthode mathématique basée sur des paramètres morphologiques simples est présentée pour évaluer le potentiel éolien au-dessus des toits. L'indicateur de l'impact d'obstacle des bâtiments est défini. La cohérence entre les résultats de la méthode mathématique et ceux de la simulation CFD est enfin analysée.

  • Titre traduit

    Impacts of urban morphology on the wind : wind power performance at the neighborhood scale


  • Résumé

    This work concentrates on wind flow simulation by CFD techniques in different urban fabrics at the neighborhood scale (450m × 450m), in order to assess the impacts of urban morphology on wind energy potential. Facing local and global environmental problems, the development of renewable energy is becoming increasingly urgent and important. Our goal is to adapt the urban morphology in the development of urban wind energy. To do so, two fundamental questions are aroused: What are the impacts of urban morphology on the wind flow in the city? How to evaluate the urban wind power? We start with a summary of bibliography on three areas: urban wind energy, urban morphology and CFD (Computational fluid dynamics) simulation. The advantages and disadvantages of different urban wind turbines are discussed. Some new technologies and methods of architectural integration of small wind turbine are presented. Indicators of urban morphology are proposed. The methods of CFD simulation of wind flow around buildings are presented. To validate our model of air flow simulation, we start with a study of the numerical simulation parameters with the reference of a benchmark of wind tunnel experiments. Several methods of verification before and after the CFD simulation are presented. After validation of our model, we begin to simulate some simple forms. With one, two and three buildings, the impacts of different simple configurations parameters are analyzed. Considering the effectiveness and feasibility, wind energy assessment is mainly taken over the roofs of buildings. The combined effects of altitude and wind concentration above the roof, are evaluated. We then simulate more complex morphological models, by assessing the wind potential in six neighborhoods that are urban forms both worldwide typical and favorable for wind energy development. Morphological indicators that potentially affect the wind flow are proposed. Analysis of coherence are made between these indicators and the values of the coefficient of increase of wind speed and of the wind power indicator above the roof. Then, some prototypes of basic urban forms from real neighborhoods are studied. The influence of some modifications of these prototypes on the wind energy potential is analyzed, and the most favorable conditions for the exploitation of wind power prototypes are recommended. Then, wind energy in a real neighborhood in Beijing is evaluated. Local conditions (physical forms, climate, social-economic aspects) are considered to assess the feasibility of developing wind energy. The location and the choice of techniques suitable urban wind turbines are discussed. Finally, a mathematical method based on some simple morphological parameters is presented, in order to assess wind potential above the rooftops. The obstacle impact indicator of the buildings is defined. The coherence between the results of the simplified mathematical method and those of CFD simulation are analyzed.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2015 par INSA à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Les impacts de la morphologie urbaine sur le vent : performance d'énergie éolienne à l'échelle de quartier
  • Détails : 1 vol. (280 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 217-228
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