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Phénomènes transitoires dans le fonctionnement des turbines éoliennes
Les performances aérodynamiques des turbines éoliennes sont reliées aux caractéristiques moyennes du vent. Il y a, quand même, quelques effets transitoires et dynamiques importants qui causent l’augmentation des charges et de la fatigue, ou la diminution de la puissance, par rapport aux valeurs moyennes calculées. Les phénomènes non stationnaires les plus importants sont (Manwell 2002): Les charges cycliques – charges générées par le mouvement de rotation de la turbine et dues principalement à la gravité et à la variation de la vitesse du vent avec la hauteur;La turbulence du vent – variations aléatoires de courte durée de la vitesse du vent à travers le rotor, temporales et spatiales, qui causent des variations rapides des forces aérodynamiques;Le passage devant la tour – la chute impulsive de la vitesse du vent lors du passage de la pale devant la tour. Les pales du rotor subissent ce changement à chaque rotation, le résultat étant une chute rapide de la puissance et des vibrations induites dans la structure de la turbine;Le décrochage dynamique – le changement rapide des conditions de vent peut causer le décrochage soudain et puis le rattachement de la couche limite au long du profil de la pale. Ça peut conduire à l’apparition des forces aérodynamiques élevées et au retard du décrochage statique; Variations dynamiques – la variation de l’écoulement du fluide due à la turbulence et aux changements des conditions de travail du rotor (changement du pas ou de la vitesse de rotation);
Évaluation de la réponse dynamique de la pale en régimes transitoires
De nos jours, tous les logiciels de conception de turbines éoliennes sont basés sur les forces aérodynamiques dérivées des résultats d’essais bidimensionnels (2-D) stationnaires en tunnel aérodynamique. Des essais pratiques, effectués aux États-Unis et en Europe, ont prouvé que les éoliennes subissent des phénomènes aérodynamiques très complexes lors du fonctionnement réel. Les essais ont prouvé que les effets tridimensionnels et le caractère dynamique des charges sont prédominants dans le fonctionnement réel des turbines à cause de la turbulence et du cisaillement au travers du plan du rotor (Simms 2001). Plusieurs modèles ont été proposés pour décrire les phénomènes non stationnaires et calculer les performances du rotor dans ces conditions, mais comme mentionné plus haut, nous sommes loin d’avoir résolu tous les problèmes. Ces dernières années, associé à la croissance de la capacité de calcul des ordinateurs, la Mécanique des Fluides Numérique (CFD – Computational Fluid Dynamics) a été appliquée aux rotors des turbines éoliennes.La Mécanique des Fluides Numérique (CFD) consiste en la résolution sur ordinateur des équations différentielles qui gouvernent l’écoulement. En fonction des approximations choisies, qui sont en général le résultat d’un compromis en termes de besoins de représentation physique par rapport aux ressources de calcul ou de modélisation disponibles, les équations résolues peuvent être les équations d’Euler, de Navier-Stokes, etc. La CFD est devenue un outil essentiel dans pratiquement toutes les branches de la dynamique des fluides, de la propulsion aérospatiale aux prédictions météorologiques en passant par le dessin des coques de bateaux. Les logiciels de mécanique des fluides numérique évoluent rapidement et à présent quelques-uns de ces logiciels peuvent réaliser et résoudre des modèles de grandes dimensions. ANSYS CFX peut analyser des modèles de jusqu’à 100 millions de nœuds, ce qui est suffisant pour réaliser la plupart des analyses aérodynamiques et aéroélastiques sur une éolienne.
Analyse structurelle des pales par la méthode des éléments finis
En utilisant les forces aérodynamiques qui agissent sur les pales des rotors en régime stationnaire, calculées avec le logiciel PROPID, on fait l’analyse des contraintes et déplacements générées dans les pales par ces forces aérodynamiques pour un cas de calcul, avec le logiciel ANSYS Mechanical. On a choisi le cas de charge qui correspond à la vitesse de vent maximale de fonctionnement des rotors, dans lequel les charges sont les plus élevées. Finalement, après avoir vérifié la résistance des pales, on réalise l’analyse modale pour trouver leurs fréquences propres et vérifier si dans la plage de vitesse de rotation de fonctionnement du rotor elles ne sont pas en danger d’entrer en résonance.
Présentation des principaux phénomènes d’instabilité aéroélastique des rotors d’éoliennes
On commence par une présentation sommaire des pnncipaux phénomènes d’instabilité aéroélastique rencontrés par les rotors d’éoliennes. Ensuite on fait un passage en revue des modèles physiques les plus utilisés dans le traitement des phénomènes d’interaction fluide-structure , modèles qui peuvent être aussi employés à l’analyse des phénomènes aéroélastiques des rotors d’éoliennes. On présente une approche par les moyens de la mécanique des fluides numérique – les outils de simulation des phénomènes d’interaction fluide – structure offertes par la famille des logiciels ANSYS
Méthode de l’élément de pale (Blade Element Momentum)
BEM est l’outille plus utilisé pour calculer les charges aérodynamiques sur les rotors des turbines éoliennes. Il fournit des résultats très satisfaisants à condition que la géométrie des pales et que les polaires des profils aérodynamiques utilisés soient bien connues (coefficients de portance et de traînée en fonction de l’angle d’attaque et, si possible, du nombre de Reynolds) (Hansen 2006). La précision élevée des méthodes de la dynamique des fluides numérique (CFD), particulièrement pour les modèles de transition et de turbulence, a penms la conception de nouveaux profils aérodynamiques adaptés spécifiquement aux pales d’éoliennes. En plus des données géométriques de la pale, pour faire l’analyse des phénomènes aéroélastiques, nous devons avoir la distribution temporelle et spatiale de la vitesse du vent. Cette distribution doit répondre à quelques exigences statistiques minimales, telles qu’un spectre indiqué de puissance et une cohérence spatiale. Dans la méthode BEM, nous considérons chaque composante de la vitesse indépendante des autres. À l’avenir, on s’attend à ce que la variation spatiale et temporelle du vent soit plus réaliste en utilisant des outils numériques telles que les grandes simulations de tourbillons (LES – Large Eddy Simulation) ou simulations numériques directes (DNS – Direct Numerical Simulation) des équations de Navier-Stokes. Pour calculer les charges aérodynamiques en régime transitoire nous utilisons des modèles empiriques. Les régimes transitoires les plus connus sont :
a) Écoulement dynamique :Les vitesses induites calculées au moyen des équations de la méthode BEM sont quasi-statiques, leurs valeurs sont COlTectes uniquement lorsque le sillage est stationnaire. Si les conditions de l’écoulement varient dans le temps, il y a un certain délai, proportionnel au diamètre de rotor divisé par la vitesse du vent avant qu’un nouvel équilibre soit atteint. Pour tenir compte de ce délai, un modèle d’écoulement dynamique doit être appliqué. Un tel modèle est particulièrement important pour une éolienne à pas variable.
b) Modèle de giration/inclinaison :Un autre modèle empirique pour les vitesses induites doit tenir compte de l’inclinaison du rotor face au vent. Lorsque l’axe du rotor n’est pas parfaitement aligné avec le vent, un modèle de girationlinclinaison redistribue les vitesses relatives du vent; il augmente les vitesses induites sur la partie aval du rotor et les diminue sur la partie amont du disque rotor. Cela introduit un moment de giration qui essaie d’aligner le rotor avec le vent entrant et, en conséquence, tend à réduire le défaut d’alignement. Pour une turbine sous le vent, un tel modèle est de la plus haute importance pour l’estimation de la stabilité de giration de la machine.
c) Décrochage dynamique :La vitesse incidente du vent sur un point de la pale change constamment en raison du cisaillement, du mauvais alignement girationlinclinaison, du passage de la pale devant la tour et de la turbulence atmosphérique. Cela a un impact direct sur l’angle d’attaque qui varie dynamiquement durant une révolution. L’effet du changement d’angle d’attaque des pales n’apparait pas instantanément, mais avec un délai proportionnel au rapport entre la longueur de la corde et la vitesse relative locale. L’influence de ces variations sur les charges aérodynamiques dépend de la situation de la couche limite, si elle est attachée ou en partie séparée. Par exemple, lorsque l’angle d’attaque augmente d’une valeur dans la zone avant décrochage à une valeur dans la zone de décrochage, les coefficients aérodynamiques du profil sont corrigés, pour un court délai, en modifiant la valeur de l’écoulement stationnaire par une oscillation déterminée empiriquement.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
LISTE DES SyMBOLES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 CONTEXTE DU PROJET
1.2 PROBLÉMATIQUE ET DOCUMENTATION PERTINENTE
1.2. 1 PHÉNOMÈNES TRANSITOIRES DANS LE FONCTIONNEMENT DES TURBINES ÉOLIENNES
1.2.2 PRÉDICTION DES CHARGES EN RÉGIMES TRANSITOIRES
l.2.3 ÉVALUATION DE LA RÉPONSE DYNAMIQUE DE LA PALE EN RÉGIMES TRANSITOIRES
1.3 OBJECTIFS
1.4 MÉTHODOLOGIE ET APPROCHE PROPOSÉE
lA.l M ÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION AÉRODYNAMIQUE ET STRUCTURELLE DES PALES D’ÉOLIENNES EN RÉGIME STATIONNAIRE
1A.1.1 Conception aérodynamique des pales avec la méthode BEM
1A.l.2 Analyse structurelle des pal es par la méthode des éléments finis
IA.2 ÉTUDE DES PHÉNOMÈNES AÉROÉLASTIQUES PAR SIMULATIONS NUMÉRIQUES COUPLÉES FLUIDE-STRUCTURE
lA.2.1 Présentation des principaux phénomènes d’instabilité aéroélastique des rotors d’éoliennes
lA.2.2 Étude du cas de la divergence aéroélastique
1.4.2.3 Étude du cas du flottement
CHAPITRE 2 ÉVALUATION DES PERFORMANCES DU ROTOR
2.1 VUE D’ENSEMBLE DES MÉTHODES UTILISÉES
2.1.1 M ÉTHODE DE L’ÉLÉMENT DE PALE (BLADE ELEMENT MOMENTUM)
2.1.2 MODÈLES AÉRODYNAMIQUES NON VISQUEUX 3D
2.1.3 MODÈLES GÉNÉRALISÉS DE DISQUE PORTANT
2.1.4 SOLVEURS NAVIER-STOKES
2.1.4. 1. Approches
2.1.4.2 Application de la CFD à l’aérodynamique des turbines éoliennes
2.2 CALCUL DES PERFORMANCES ET CONCEPTION DU ROTOR PAR LA MÉTHODE DE L’ÉLÉMENT DE PALE AVEC LE LOGICIEL PROPID
2.2.1 PRÉSENTATION DU LOGICIEL PROPID
2.2.1.1 Structure du fichier d’ entrée
2.2. 1.2 Données demandées
2.2.2 MODE DE TRAVAIL EN ANALYSE DIRECTE
2.2.3 M ODE DE TRAVAIL EN ANALYSE INVERSE
2.2.4 CONCEPTION DES ROTORS
2.2.4. 1 Conception préliminaire
2.2.4. 1.1 Choix du profil
2.2.4.1.2 Calcul de la géométrie de la pale
2.2.4.2 Calcul des performances des pales et raffinement de la conception par analyse directe
2.2.4.2.1 Analyse des performances des pales
2.2.4.2.2 Optimisation des pales
CHAPITRE 3 ANALYSE STRUCTURELLE DES PALES DES ROTORS
3.1 CALCUL DES FORCES QUI AGISSENT SUR LES PALES DU ROTOR
3.2 ANALYSE DES CONTRAINTES DANS LES PALES
3.3 ANALYSE MODALE DES PALES
3.4. CONCLUSION
CHAPITRE 4 MODÈLES D’ ANALYSE AÉROÉLASTIQUE DES PALES D’ÉOLIENNES
4.1 PRINCIPAUX PHÉNOMÈNES D’INSTABILITÉ AÉROÉLASTIQUE DES PALES D’ÉOLIENNES
4.2. MODÉLISATION DE L’INTERACTION FLUIDE-STRUCTURE
4.2.1 LES MODÈLES CLASSIQUES
4.2.2 MODELES LINEAIRES ET NON LINEAIRES
4.2.3 LE DEFI INFORMATIQUE DE MODELISATION DE L’INTERACTION FLUIDE-STRUCTURE
4.2.4 COUPLAGE ANSYS-CFX
CHAPITRE 5 ÉTUDE DU CAS DE LA DIVERGENCE AÉROÉLASTIQUE
5.1 ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
5.2 CONSIDÉRATIONS THÉORIQUES
5.3 COMPARAISON AVEC DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
5.3 .1 DESCRIPTION DE L’EXPÉRIENCE
5.3.2 MODÈLE STRUCTUREL DE L’AILE
5.3.3 MODÈLE DU DOMAINE FLUIDE
5.3.4 RÉSULTATS ANALYTIQUES
5.3.5 RÉSULTATS DES SIMULATIONS
5.3.5. 1 Construction de la courbe CL(a)
5. 3.5.1.1 Résultats des simulations avec CFX
5.3.5.1.2 Résultats expérimentaux de Jacobs et Sherman
5.3.5.1.3 Résultats expérimentaux de She1dahl et Klimas
5.3 .5.2 Vérification du couplage fluide-structure
5.3.5.2.1 Simulation
5.3.5.2.2 Analyse des résultats
5.3.5.3 Simulations de la divergence
5.3 .5.3.1 Paramètres des simulations
5.3.5 .3.2 Simulation en utilisant la fonction de vitesse U(t) = 24- 23·exp(-2·t)
5.3.5 .3.3 Simulation en utilisant la fonction de vitesse U(t) = 21 20·exp(-1,5·t)
5.3.5.3.4 Simulation à vitesse constante U = 19 mis
5.3 .5.3.5 Simulation à vitesse constante U = 20 m/s
5.3.5.3.6 Simulation à vitesse constante U = 21 m/s
5.3.5.4 Méthodes expérimenta les pour trouver la vitesse de divergence
5.3.5.5 Calcul de la vitesse de divergence à partir des simulations
5.3.5.5.1 Calcul de la vitesse de divergence à pmiir de la simulation 5.3.5.3.2
5.3.5.5.2 Calcul de la vitesse de divergence à partir de la simulation 5.3.5.3.3
CHAPITRE 6 ÉTUDE DU CAS DU FLOTTEMENT
6.1 CONSIDÉRATIONS THÉORIQUES
6.1.1. ÉQUATIONS DE MOUVEMENT D’UN SYSTÈME AÉROÉLASTIQUE
6. 1.2 FORCES AÉRODYNAMIQUES SUR LES PROFILS
6.1.2.1 Introduction et sommaire
6.1.2.2 Approximations usuelles
6.l.3 SOLUTIONS DES ÉQUATIONS AÉROÉLASTIQUES DE MOUVEMENT
6. 1.3.1 Solutions dans le domaine temporel
6.1.3.2 Solutions dans le domaine des fréquences
6.1.4 DISCUSSION DES RÉSULTATS REPRÉSENTATIFS
6. 1.4.1 Domaine temporel
6.1.4.2 Domaine fréquentiel
6.1.5 CLASS IFICATION DU FLOTTEMENT ET DE LA RÉPONSE AUX RAFALES, Y COMPRIS LES TENDANCES DES PARAMÈTRES
6.1.5.1 Le flottement de fl exion-torsion
6.l.5.2 Le flottement à un seul degré de liberté
6.2 COMPARAISON AVEC L’EXPÉRIMENTATION
6.2.1 EXPÉRIMENTATION À SIMULER
6.2.2 D ESCRIPTION DE L’EXPÉRIENCE
6.2.3 SIMULATION
CONCLUSION GÉNÉRALE
ANNEXE I-COURBES DU COEFmCŒNTDE PUISSANCE CALCULÉES POUR LE ROTOR DE 1 KW
ANNEXE II – COURBES DU COEFFICIENT DE PUISSANCE CALCULÉES POUR LE ROTOR DE 3 KW
ANNEXE III – POLAIRES EXPÉRIMENTALES DU PROFIL NACA 0012
ANNEXE IV – POLAIRE DU PROFIL NACA 0012 CALCULÉE AVEC CFX
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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