Simulation numérique et optimisation d'une hydrolienne à axe transverse avec contrôle actif de l'angle de calage

• Auteur / Autrice : Benoît Paillard
• Direction : Jacques-André Astolfi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydroliennes

Mots clés libres

Énergie renouvelable marine

Hydrolienne

Darrieus

Instationnaire

Urans

Cfd

Méthode des tubes

Optimisation

Contrôle du calage

Renewable Marine Energy

Tidal Turbine

Darrieus

Unsteady Model

Urans

Cfd

Tube Method

Optimization

Pitch Control

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation d’efforts et d’écoulement dynamiques autour d’un profil en mouvement complexe dans un écoulement uniforme : la combinaison d’une rotation autour d’un axe distant et d’un tangage classique autour du quart de corde. Elle vise à mettre en place des méthodes de simulation simples de dimensionnement et de prédiction de performance d’une turbine Darrieus à contrôle actif de pas ; elle vise également à proposer une méthode de calcul permettant la simulation de l’écoulement et l’optimisation de ce type de turbine dont les pales ont leur calage qui varie cycliquement. Elle trouve son application dans l’étude et le développement des énergies marines renouvelables, et plus particulièrement des machine d’extraction d’énergie cinétique de courants de marée ou fluvial à axe transverse. L’objectif est de construire des outils de simulation permettant une étude approfondie des possibilités des systèmes à axe transverse avec variation cyclique active de pas. Pour répondre à cela deux stratégies de modélisation ont été suivies. D’une part l’adaptation du pas variable à une méthode énergétique couplée à différents modèles de prédiction des efforts instationnaires sur un profil; et d’autre part une simulation URANS avec maillage tournant/déformant pour prendre en compte cette variation de pas. La variation d’angle de calage a permis d’obtenir me augmentation de performance maximal de 52%. L’essai des différents modèles fluides disponibles a mis en évidence l’efficacité du modèle turbulent. Le modèle de transition, pourtant prometteur et semblant plus adapté aux cas d’application considérés, s’est révélé peu performant, mais aucune investigation supplémentaire n’a été effectuée. La comparaison avec l’expérience dans le cas turbulent avec modèle de turbulence kw - SST s’est révélée encourageante, notamment pour les rapports de vitesse périphériques opérationnels, autour de ʎ = 5. Pour les ʎ plus faibles les résultats sont en moyenne similaires mais le modèle peine à reproduire les variations aux fréquences naturelles du décrochage, dues aux lâchers tourbillonnaires. La continuité de cette étude réside d’une part dans l’étude d’autres lois de calage, et d’autre part dans l’application à un système concret pour pouvoir aboutir à des systèmes transverses plus efficace.

This work describes the numerical simulation of an acti4e variable pitch Darrieus turbine with two methods, one of which is derived from momentum theory and ONERA-EDLIN unsteady model, and the other is 0Ff). Though almost no Darrieus turbine produced electrical power from wind since early 90s, a renewed interest arose from the development of water turbines because most drawbacks which prevented this system from becoming a major wind turbine system do not exist in water. For this reason many publications tackling various issues in water crossflow turbines were written in the past few years. Dynamic and static stall characteristics of an airfoil have a very strong influence on the turbine performance. Considering how the vortex method could not predict it accurately, and the complexity of a CFD simulation in an optimisation process, the ONERA-EDLIN model is a very interesting compromise. On top of that, it has the ability to model any special kinematics and not just only pitch; it can predict installed dynamic behavior based on a potential formulation; and it can calculate dynamic stall for the moments, which is interesting in the case of variable pitch. An URANS method was then used, using the solver ANSYS-CFX. The spatial and temporal discretization have been studied to be used in future simulations. Blades’ motion was obtained through mesh deformation for pitch modification, and the main rotation was implemented through global rotation of a circular mesh domain, with general grid interface model at its boundaries. The following turbulence models were used laminar, kw - SST. And Langtry Menter transition model. Five experimental cases were used to assess models’ performance. Comparison was best for kw - SST. The two others predicted early stalls, especially the laminar model. Further simulations, for other conditions and pitch function are needed and are currently being carried out. Agreement with experimental data was found to be fairly good, event though discrepancies exist in some specific cases. Agreement level could not be related to a particular operational condition. Variable pitch was implemented for a tip speed ratio of 5, aiming at performance improvement primarily. Sinusoidal functions of different orders were tested. One of them obtained a performance increase of 52%. For this regime optimal pitch variation seems to require a very slight recirculation and an incidence decrease on upwind section, and an incidence increase on downwind section. The flow deceleration through turbine was found to be a primary factor in function performance evaluation. Finally torque required to set blades into motion around their quarter chord was compared with power coefficient. Its influence was found to be close to 0, or even positive.