Modélisation de parcs d'hydroliennes à flux transverse avec une méthode d'équivalence

par Guillaume Mercier

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Christian Pellone et de Thierry Maître.

Soutenue le 26-09-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Luc Achard.

Le jury était composé de Christian Pellone, Thierry Maître, Jean-Luc Harion.

Les rapporteurs étaient Michel Visonneau, Jacques-André Astolfi.

mots clés

• Hydrolienne à axe vertical
• Parc hydrolien
• Code_Saturne
• Maillage rotatif
• Sillage
• LDV
• Mécanique des fluides
• Hydroliennes
• Turbulence de sillage
• Énergie mécanique

Résumé

L'exploitation de l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux est une source d'énergie prometteuse et renouvelable. Les performances hydrodynamiques des hydroliennes sont à ce jour bien connues et l'attention se porte sur la compréhension des phénomènes de parc et l'interaction entre machines. Ce document présente la construction d'un modèle simplifié (ou méthode d'équivalence) pour les turbines à axe de rotation vertical. Une étape préliminaire consiste à valider l'utilisation de la méthode de maillage rotatif proposée par Code_Saturne (solveur CFD open source). La simulation de la turbine Darrieus/Achard A10 en 2D met en évidence une bonne concordance des mesures expérimentales (PIV). Cet outil sert dans une seconde étape à mettre au point un modèle simplifié de ces mêmes turbines. Celui-ci consiste à représenter la turbine dans l'écoulement par son équivalent en termes sources de quantité de mouvement sur la base d'une paramétrisation efficace des données empiriques. La méthode est validée pour une large plage de vitesses de rotation et de confinements, et sur plusieurs machines. La représentation du sillage par par les deux méthode de simulation est ensuite étudiée en détail. Des mesures par la technique de LDV dans le sillage proche d'un modèle réduit sont effectuées et établissent une référence expérimentale nécessaire pour ce type de machine. La dépendance forte des deux méthodes de simulation aux paramètres et aux modèles de turbulence est constatée. Deux phénomènes principaux sont relevés : la diffusion turbulente et les instabilités à grandes échelles. Des calculs de rendement sur des dispositions de machines variables illustrent l'applicabilité du modèle. Ils mettent notamment en avant l'effet positif de l'intensité turbulente ambiante sur le rendement dans un parc.

mots clés

• Vertical axis water turbine
• Turbine array
• Code_Saturne
• Sliding mesh
• Wake
• LDV

Titre traduit

Vertical axis water turbine modeling with an equivalence method

Résumé

Harnessing kinetic energy from oceans or rivers is a promising source of renewable energy. The hydrodynamical performance of water turbines is well known and the focus is now on array optimization and turbine interaction. The present document aims to introduce a new modeling solution for vertical axis water current turbine of Darrieus/Achard type and its construction methodology. A preliminary stage consists in the validation of the new sliding mesh method available in Code_Saturne, EDF CFD open source solver. The good results obtained by comparison with PIV measurements on the Achard type turbine allow the use of this method as a reference tool. The second stage sees the construction of an equivalence model for the Darrieus turbine using momentum source terms. These terms are calculated thanks to an efficient parametrization of empirical data. The comparison of the model with full geometry calculation shows a good agreement in terms of power for a wide range of rotational velocity and blocking ratio. LDV measurements in the near wake of a small scale Achard turbine give a necessary reference set of data. The wake given by both simulations is strongly dependent of turbulence parameters or models, with the cohabitation of two main phenomena : momentum turbulent diffusion, and large scale fluctuations. To conclude, a calculation of the power output for several turbine distributions in an array illustrates the model capability.