Contribution à l’étude des écoulements turbulents autour des pales

Abstract

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’investigation numérique de l’interaction d’un écoulement turbulent avec l’éolienne Darrieus à pales droites (SD-VAWT). Cette technologie a suscité un regain d’intérêt ces dernières années auprès des chercheurs, en raison de ses avantages tels que sa simplicité d’installation, son caractère omnidirectionnel et sa parfaite adaptation aux environnements urbains et industriels. Ces turbines ont néanmoins des inconvénients dus à la variation cyclique de l’angle d’attaque et la vitesse d’incidence relatifs à la pale ce qui rendent cette dernière exposée au phénomène de décrochage dynamique qui conduit à la difficulté d’auto démarrage et la faible extraction d’énergie éolienne. L’objectif de ce travail est donc d’apporter une contribution au contrôle de l’écoulement autour des pales afin d e retarder et/ou d’éliminer les phénomènes de décrochage tout en minimisant l’interaction pales/vortex. Une étude numérique bidimensionnelle (2D) a d'abord été réalisée sur l'écoulement de l'air autour d'une turbine tripale deréférence, profilée NACA0015, avec une solidité de 0,48 et un rapport d'aspect de 1,2. La simulation numérique de l'écoulement d'air incompressible en interaction avec les pales de la turbine en rotation a été effectuée à l'aide du logiciel commercial ANSYS/FLUENT, en utilisant la technique du maillage glissant. Le modèle SST k-? a été choisi pour la fermeture du système d'équations régissant l'écoulement dans un régime de turbulence à un nombre de Reynolds basé sur la corde Rec = 3,68 × 105 et une intensité turbulente de 1 %. Trois modes de contrôles ont été ensuite appliqués afin d’optimiser le fonctionnement de la turbine à différents régimes de vitesse spécifique (Tip Speed Ratio, TSR) et d’améliorer son couple de démarrage. Pour le contrôle passif, un angle de calage fixe a été imposé aux pales par rapport à la tangente de la trajectoire de la turbine. L'analyse a montré que bien qu'un angle de calage de +3° améliore les performances de la turbine pour des TSRs élevées, il est défavorable aux faibles TSRs. L’angle 0° s’est avéré être le choix le plus optimal sur l’ensemble de la courbe des performances. Nous avons ensuite appliqué la modification du profil des pales selon la méthode de Kline-Fogleman (KFA), en tenant compte de l’effet de l’angle d’ouverture de la marche. La configuration KFA4 avec un angle d’ouverture obtus (OSA) a permis d’augmenter significativement le couple de démarrage et les performances de la turbine aux faibles TSRs. Pour le contrôle actif, un mouvement oscillatoire a été imposé aux pales de la turbine. L’effet de l’amplitude d’oscillation a été étudié, en maintenant sa fréquence fixe et équivalente à celle de la rotation de la turbine. Les faibles amplitudes ont un effet positif sur l’intégralité de la courbe de performance et le couple de démarrage. Par ailleurs les amplitudes élevées ont un effet négatif sur le coefficient de puissance aux TSRs élevés (TSR ?1). Enfin, l’amplitude d’oscillation de 10° est relativement la plus indiquée en termes d’amélioration de couple de démarrage, de la réduction de la zone morte et les effets de décrochage, ainsi que l’élimination des effets de la trainée. L’effet de la combinaison des paramètres optimaux des deux procédés de contrôle a été à la fin considéré. Nous avons ainsi examiné les performances d’une turbine SD-VAWT, dont les pales à profil OSA-KFA-4, sont oscillantes avec une amplitude de 10° autour de la tangente à sa trajectoire. Cela a permis notamment de réduire la zone morte du prototype de base et de minimiser l’effet du décrochage dynamique. Ce contrôle mixte a permis à la fois d’augmenter le couple de démarrage de la turbine de 52.35 % et d’améliorer la performance de la turbine de 73.41 % en moyenne, aux faibles TSRs, tout en la maintenant à un niveau correct de performance aux forts TSRs. Notons par ailleurs, que le mode de contrôle mixte a permis de réduire l’étendue du sillage de la turbine,