Influence of advanced unsteady aerodynamic models on the aeroelastic response of an offshore wind turbine

par Félix Barnaud

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Luminita Danaila.

Le président du jury était Niels N. Sørensen.

Le jury était composé de Luminita Danaila, Carlos Ferreira Simão, Vincent Moureau, Laurent David, Guillaume Balarac.

Les rapporteurs étaient Niels N. Sørensen, Carlos Ferreira Simão.

  • Titre traduit

    Influence des modèles aérodynamiques instationnaires avancés sur la réponse aéro-élastique d'une éolienne offshore


  • Résumé

    Les éoliennes offshore modernes ont atteint ces dernières années de très grandes dimensions, qui ne cessent d’augmenter en vue de diminuer les coûts de production de l’électricité. Des designs innovants sont alors nécessaires afin d’améliorer les performances aérodynamiques et de réduire les charges structurelles. Les outils de l’état de l’art tels que la théorie de l’élément de pale couplée à la méthode de la quantité de mouvement (BEMT en anglais), utilisés pour la prédiction des charges et performances des rotors, ont été conçus pour des rotors de plus faibles dimensions et dans des conditions standards d’utilisation. Des conditions particulières comme les cas de désalignement du rotor par rapport à l’axe du vent sont a priori hors du domaine de validité des outils de l'état de l'art. Le but de cette thèse est d'étudier des modèles aérodynamiques plus poussés et de les comparer avec les outils de l'état de l'art sur des cas spécifiques. Les écoulements instationnaires sont particulièrement intéressants puisque difficiles à simuler avec les méthodes standards. Ainsi, un code de méthode des panneaux prenant en compte les phénomènes visqueux tels que le décrochage dynamique est comparé à un code BEMT dans des conditions de vent réalistes et avec un fort désalignement du rotor. Les calculs sont réalisés dans le cadre d'un couplage aéro-servo-élastique de manière à être le plus représentatif possible des calculs de chargement effectués dans l'industrie et nécessaires pour la certification des machines. L'impact du modèle de décrochage dynamique est étudié avec les deux méthodes, pour des cas de chargement extrêmes et en fatigue avec désalignement du rotor. Des différences ont été observées entre les deux méthodes et avec plusieurs paramétrisations du modèle de décrochage dynamique. De plus, la prise en compte du couplage servo-élastique modifie les observations faites sur les comparaisons aérodynamiques. De plus, les angles d'attaque observés sur les pales en cas de fort désalignement sont très élevés. L'écoulement autour de profils dans ces conditions est dominé par des effets visqueux non capturés par les méthodes des panneaux ou de BEMT mais modélisés via des modèles semi-empiriques. Des modèles alternatifs doivent donc être utilisés pour mieux prédire de tels phénomènes. Dans la seconde partie de cette thèse l'écoulement autour de profils aérodynamiques d'éoliennes, plus épais que dans l'aéronautique, est étudié à l'aide de Simulation aux Grandes Échelles avec loi de paroi. Plusieurs cas d'écoulement attachés et détachés sont simulés, pour des profils fixes et oscillants. De très grands angles d'attaque sont également simulés, jusqu'à 90°, à un nombre de Reynolds réaliste. Dans les cas attachés et très fortement détachés, la Simulation aux Grandes Échelles avec loi de paroi est capable de capturer correctement l'écoulement avec des maillages peu raffinés. Cependant les cas proches du décrochage se sont révélés plus difficiles à obtenir, et nécessitent des maillages très fins même en utilisant des lois de paroi adéquates. Enfin, des cas oscillants avec fréquence réduite élevée sont également étudiés et comparés avec d'autres modèles. La Simulation aux Grandes Échelles est alors particulièrement adaptée et donne des résultats prometteurs.


  • Résumé

    The size of modern offshore wind turbine rotors has reached very large dimensions and keeps increasing in order to reduce the cost of electricity. More challenging designs are thus needed to improve the aerodynamic performances and reduce the structural loads. The state-of-the-art tools such as Blade Element Momentum Theory (BEMT) used to predict the loads and performances of wind turbines have been designed for much smaller rotors in standard operating conditions. Load cases in specific conditions such as yaw misalignment are a priori out of the validity range for such tools. The goal of the thesis is to investigate more advanced aerodynamic models in order to assess the differences in load predictions compared to state-of-the-art tools. In particular, this work focuses on unsteady flows which represent a challenge for engineering tools. For this purpose, a panel method code including viscous effects such as dynamic stall is compared to a BEMT code in realistic wind conditions with large yaw misalignment. The calculations are performed in the framework of aero-servo-elasto coupling in order to be represen¬tative of the load calculations performed in industry following certification standards. The impact of the dynamic stall model is investigated in particular for both BEMT and panel method, for extreme and fatigue loading in cases of yaw misalignment. Differences have been observed between both codes and for several parametrizations of dynamic stall model. In addition, it has been noticed that including the servo-elasto coupling changes a lot the observations regarding aerodynamic loading. Large angles of at¬tack are observed on wind turbine blades in yaw misalignment cases, and the flow around blade sections in such conditions is particularly affected by viscous effects such as dynamic stall or vortex shedding which are not inherently solved by panel methods nor BEMT but modeled with semi-empirical models. Alternative models such as Large Eddy Simulation (LES) that would capture these effects have to be considered. Wall-modeled LES (WMLES) is thus used in the second part of this thesis to investigate the flow around wind turbine dedicated airfoils, much thicker than airfoils used in aeronautics. Several cases are simulated, for attached and detached flows and in steady or oscillating cases. Angles of attack up to 90° are investigated at realistic Reynolds number. It appears that WMLES is able to capture correctly the main flow features in attached conditions and at very high angle of attack with coarse meshes. However, the near stall cases are more challenging to capture even with appropriate wall laws and require very fine meshes to be correctly solved. A comparison is also performed for motions with high reduced frequency and compared to other models, revealing the promising capacities of WMLES in such cases.


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