Commande en incidence d'une hydrolienne de type Darrieus basée sur le contrôle de la circulation autour des pales

Development of Circulation Controlled Blade Pitching Laws for Low-Velocity Darrieus Turbine

• Auteur / Autrice : Jagan Mohan Rao Gorle
• Direction : Malick Ba, Ludovic Chatellier, Frédéric Pons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 18/11/2015
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA - Institut Pprime- ENSMA - Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Laurent David
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Maître
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Laurens, Peter Ruthschmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie marémotrice

Mécanique des fluides

Vélocimétrie par images de particules

Tourbillons (mécanique des fluides)

Hydroliennes

Turbulence

Mots clés libres

Turbine à impulsion radiale

Eolienne Darrieus

Pales orientables

Regulation tourbillonnaire

Circulation constante

Cross flow turbine

Darrieus wind turbine

Blade pitching

Vortex control

Constant circulation

Résumé

L'étude développée dans cette thèse concerne le contrôle des performances et des lâchers tourbillonnaires au cours du cycle de rotation d'une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus. L'élaboration d'une famille de lois de commande d'incidence de pales exploitant le principe de conservation de la circulation autour de profils en mouvement permet ici le contrôle du fonctionnement de l'hydrolienne ainsi que la maîtrise de son sillage tourbillonnaire afin de préserver l'environnement.L'écoulement 2D est simulé à l'aide du solveur incompressible de Star CCM+ afin de mettre en évidence l'effet de ce type de contrôle sur le rendement de la turbine pour différents points de fonctionnement. Ce modèle CFD a été utilisé pour améliorer l'analyse analytique en ce qui concerne l'extraction de l'énergie, la compréhension de l'écoulement autour de l'hydrolienne et le contrôle des tourbillons générés. La nouveauté de cette étude est l'élaboration de lois de commande de pales d'hydrolienne, basées sur des valeurs constantes et transitoires de la circulation, afin d'augmenter la puissance de la turbine tout en garantissant un contrôle efficace de la vorticité et ainsi prévenir de l'interaction entre les tourbillons et les pales. Une bonne comparaison est réalisée entre les résultats analytiques et numériques concernant les forces hydrodynamiques.En outre, une campagne d'essais a été menée afin d'acquérir des mesures quantitatives sur une hydrolienne de type Darrieus à pales fixes en terme de puissance, mais aussi des résultats qualitatifs pertinents comme la visualisation de l'écoulement autour des pales à différentes positions et pour différents points de fonctionnement. La mise en place complète d'un système PTV pour les mesures qualitatives et les étapes de traitement sont discutées et les divers paramètres obtenus à partir des études CFD sont validées en utilisant ces résultats PIV.L'étude expérimentale dans la présente recherche appo11e des informations détaillées sur les gradients de pression et de vitesse, les contours de vorticité et le critère Q qui ont servi à valider les visualisations obtenues numériquement.

With key applications in marine renewable energy. the vertical axis water turbine can use current or tidal energy in an eco-friendly manner. However, it is difficult to reconcile optimal performance of hydrokinetic turbines and compliance wilh the aquatic environment as the main drawback of the turbines is the formation of non-linear flow structures caused by the unsteady movement of the blades. Eddies in the flow are advected and can interact with other blades, which leads to a reduction in power output. To limit this phenomenon, the turbines operate at high speeds, which are likely to reduce the shaft power. High speeds of rotational so forbid the passage of aquatic animais, and are the cause of a suction effect on the sediments.The objective of this thesis work is twofold. First, it aims to develop a blade pitch control to get the flow adjusted around the blade profile at any given flow configuration by incorporatin.g the profile's motion with respect to incident flow. Such a system intends to achieve the objective of operating at reduced speeds without vortical releases, which should allow achieving a high torque without causing damage to the environment.This thesis work is mainly carried out in three phases. ln the first phase, the irrotational flow over an arbitrary profile is formulated using conforma] mapping. Prospective potential flow application on the basis of Couchet theory (1976) is involved in the development of a control law that decides the blade pitching in a constant circulation framework. In the second phase, a numerical validation of the developed analytical work is presented using CFD to examine how the theoretical fomulation can be effectively applied to Darricus turbines. In the final phase, two prototypes are developed, one is classical Darrieus turbine with fixed blades, and other is the turbine with pitching blades for experimental measurements of performance as well as flow fields(by PIV) in order to validate the computational results.