Soutenance mémoire
LA CARTOGRAPHIE DU GIVRE
LA CONCEPTION D’UN BANC D’ESSAI
La conception d’un banc d’essai permet la validation du modèle atmosphérique avec des données in situ. Pour cette étude, un détecteur de glace et un pluviomètre chauffant ont été installés avec la collaboration d’EDF EN Canada (Énergie De France Énergie Nouvelle) et la Chaire de recherche AEMN. Les instruments appartiennent à Christian Masson, professeur à l’ÉTS et directeur de la Chaire AEMN. Les données sondées par ces deux appareils appartiennent également à M. Masson ainsi qu’au partenaire ayant contribué à l’installation, EDF EN Canada. Lors de ce projet, les données de ces instruments n’étaient pas disponibles. Donc aucune validation du modèle n’a pu être fait avec ces données.
Le pluviomètre
Le pluviomètre enregistre le taux de la teneur en eau liquide pour tous les types de précipitations s’il possède un système de dégivrage ou d’antigivre. Ce taux s’exprime en millimètre par heure [mm/hr]. Pour l’utilisation de cet appareil en condition hivernale, certains fonctionnent avec de l’antigel, d’autres avec un système de chauffage intégré. Le modèle de pluviomètre choisi est le pluviomètre à auget 52202-L et est équipé d’un système de chauffage intégré (voir Figure 5.1). Il mesure 39 cm et pèse 1,6 kg. Les précipitations pénètrent par l’orifice supérieur dont le diamètre est de 16 cm. Le collecteur, en forme d’entonnoir, est chauffé pour transformer l’eau de l’état solide à l’état liquide lors des conditions hivernales. La puissance de chauffage requise est de 18 W. Le pluviomètre à auget est constitué de deux contenants qui se remplissent d’eau successivement. Lorsqu’un des deux contenants est plein, il bascule et l’autre partie se remplit. Il y a alternance jusqu’à ce que les précipitations cessent. Cet instrument à une précision de 0.1 mm/h.
Le détecteur de givre
Le détecteur de glace, utilisé pour la conception de ce banc d’essai, construit par l‘entreprise Américaine B.F. Goodrich est le modèle 0872F1 (dernière version lors de l’achat en 2009, voir Figure 5.2). Cet instrument automatisé fonctionne avec une sonde qui, s’il n’y a pas d’accumulation de glace, vibre à une fréquence de résonance de 40 kHz. Le capteur est une sonde de forme cylindrique pour une détection qui s’effectue à 360°. La sonde a une longueur de 25,4 mm et un diamètre de 6,35 mm. Lorsque les hydrométéores se collent à la sonde, sa masse augmente et sa fréquence de vibration diminue. Le minimum d’épaisseur de givre que la sonde peut détecter est de 0.5 mm, mais peut en supporter jusqu’à 25 mm avec une précision de 0.13 mm. L’équation programmée pour déterminer la relation entre la fréquence de résonance et l’épaisseur de givre est une équation empirique telle que définie dans l’équation ci-dessous : Avec ܨ la fréquence de vibration de la sonde s’exprimant en Hz. Lorsque la fréquence de vibration atteint sa valeur minimum, un signal est envoyé par l’instrument vers la sonde et la température augmente graduellement pour faire fondre la glace formée. Le temps alloué pour le chauffage de la sonde est déterminé par l’usager et peut aller jusqu’à une minute. Dès que la sonde atteint la température requise et que le givre s’est dissipé, celle-ci revient à sa fréquence de vibration initiale et le système chauffant se met en veille. Le cycle se répète autant de fois que nécessaire. L’ensemble de ces cycles détermine le temps de l’évènement givrant et le nombre renseigne sur la fréquence des évènements givrants. Les valeurs quantitatives de l’accumulation de la glace sont la somme des valeurs maximales mesurées. Pour plus de précision, l’enregistrement de la variation de la fréquence de vibration de la sonde s’effectue toutes les dix secondes. La Figure 5.2 montre le détecteur de givre choisi pour cette étude. Tirée du manuelle d’installation du détecteur de givre de Cambell Scientific (2009, p.2) La puissance du détecteur de givre est de 10 W en mode fonctionnement et de 380 W en mode dégivrage.
La mise en place des instruments de mesure
Il n’existe pas de normes concernant la mise en place de ces instruments. Ils ne doivent pas être ensevelis sous la neige et ne doivent pas interférer entre eux. Pour éviter tous bris lors des chutes de glace, il est recommandé de ne pas les placer à proximité d’autres instruments. De même que le choix de cette isolation diminue les chances que la prise de mesure soit faussée par la turbulence. Ils doivent en outre être accessibles pour une maintenance régulière. Pour quantifier l’accumulation de glace pour la construction des éoliennes, ces deux instruments ont été installés dans un parc éolien à proximité d’une autre tour météorologique afin de bénéficier de davantage de variables mesurées; la vitesse vu vents sur différents niveaux, la température, l’humidité et la pression.
Les calculs des paramètres du givre
Grâce à ces données observées, le diamètre volumétrique médian des hydrométéores, la teneur en eau liquide, la densité du givre, le point de rosée et le taux d’accumulation du givre peuvent être estimés. Étant donné que de l’eau liquide ou de l’air peut être emprisonnée dans la glace accumulée, qu’une fraction de la masse captée doit être considérée. La teneur en eau liquide s’exprime en ݃/݉ଷ et son expression mathématique diffère en fonction du type de précipitation. Il est donc important d’obtenir des données d’observation de chaque type de précipitation afin de différencier leurs apparitions dans un hiver. Pour cette sonde, le coefficient de captation est de 0,6. L’épaisseur de la glace et la durée de l’évènement sont données par le détecteur de givre et la vitesse du vent est donnée par des anémomètres.
Un projet en évolution
Il est possible de protéger le détecteur de givre à l’aide d’un bouclier de protection. De même qu’il existe d’autres instruments pouvant contribuer à déterminer des paramètres essentiels à la détection du givre et ainsi raffiner le calcul de la masse de la glace. Ces instruments complémentaires au pluviomètre et au détecteur sont le visibilimètre ou le disdromètre.
Un bouclier de protection
Un bouclier de protection pourrait être installé autour du pluviomètre, réduisant la turbulence et donc les erreurs induites lors des mesures de précipitation. Toutefois, très peu de documentation existe sur cette protection supplémentaire et son installation demande une logistique plus importante. La Figure 5.3 illustre cet instrument :
Le visibilimètre
La visibilité se mesure avec des objets dont les distances sont connues. Cette évaluation est toutefois subjective, car elle dépend autant des propriétés de l’atmosphère que des capacités de l’observateur. Par ailleurs, les observations par un humain s’effectuent difficilement la nuit. Un visibilimètre (voir Figure 5.4) est composé d’un émetteur et d’un récepteur. Son principe repose sur la diffusion de la lumière dans les particules en suspension dans l’atmosphère donc sur la densité des particules. Le capteur émet un flux lumineux et le récepteur mesure la diffusion de ce flux. La diffusion est proportionnelle à la densité des particules dans l’air et la visibilité est inversement proportionnelle au signal reçu. Les mesures sont comprises entre 10 et 60 km avec une incertitude de 20 %. L’image ci-dessous montre le visibilimètre utilisé par Météo France.
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Les caractéristiques générales
1.2 La présentation de la recherche
1.2.1 Les objectifs
1.2.2 La méthodologie
1.3 La structure du mémoire
CHAPITRE 2 LA CARTOGRAPHIE DU GIVRE
2.1 L’éolien en milieu nordique
2.2 Les atlas du givrage atmosphérique
2.3 La modélisation du givrage atmosphérique
CHAPITRE 3 LA MÉTÉOROLOGIE DES CLIMATS FROIDS
3.1 La météorologique physique
3.2 La météorologie dynamique
3.3 Les précipitations
3.3.1 Les phénomènes responsables de la croissance des hydrométéores
3.3.2 Les différents types de précipitations
3.3.2.1 Le virgas
3.3.2.2 La brume et le brouillard
3.3.2.3 La pluie
3.3.2.4 La neige
3.3.2.5 Grêle
3.4 Les différentes formations de la glace
3.4.1 Le verglas
3.4.2 Le givre
CHAPITRE 4 LA PRÉVISION NUMÉRIQUE EN AMÉRIQUE DU NORD
4.1 Les données météorologiques en Amérique du Nord
4.1.1 Le NCEP
4.1.2 Les capteurs AVHRR et AMSR
4.2 Le modèle de prévision numérique au Canada
4.2.1 Les différentes résolutions horizontales
4.2.2 Les systèmes de niveaux verticals
4.2.3 Les méthodes de calcul de GEM
4.2.4 Les paramétrages des effets physiques
4.3 Les schémas de microphysique de Milbrandt et Yau
4.3.1 Les moments du schéma de microphysique
4.3.2 Les variables du schéma
CHAPITRE 5 LA CONCEPTION D’UN BANC D’ESSAI
5.1 Le pluviomètre
5.2 Le détecteur de givre
5.3 La mise en place des instruments de mesure
5.4 Les calculs des paramètres du givre
5.5 Un projet en évolution
5.5.1 Un bouclier de protection
5.5.2 Le visibilimètre
5.5.3 Le disdromètre
CHAPITRE 6 LE LABORATOIRE NUMÉRIQUE
6.1 Les outils numériques
6.2 L’acquisition des fichiers météorologiques
6.3 Les spécifications des grilles
6.3.1 La définition de la grille et de la projection de la NARR
6.3.2 L’interpolation entre deux différentes projections
6.3.2.1 La projection cylindrique
6.3.2.2 La projection polaire stéréographique
6.3.3 Les comparaisons des projections
6.4 Le traitement des vecteurs du vent
6.4.1 La rotation vectorielle
6.4.2 La validation de la rotation du vent
6.5 L’écriture des FST
6.5.1 La définition des fichiers standards (FST)
6.5.1.1 La résolution de la grille au 60ième parallèle Nord
6.5.2 Les variables atmosphériques
6.5.3 Les variables de surface
6.5.4 Les types d’interpolations
6.5.5 Les changements d’unités
6.5.6 La résolution verticale
6.6 L’environnement de travail pour le fonctionnement de GEM
6.6.1 Les généralités
6.6.2 La localisation
6.6.3 La nouvelle version
CHAPITRE 7 LA VALIDATIONS DE LA MODÉLISATION GEM
7.1 Les modélisations des prévisions numérique de GEM
7.2 Les validations de GEM-32 km
7.2.1 La validation de l’état initial de GEM-32
7.2.2 La validation spatio-temporelle de GEM-32
7.2.3 La validation des variables de précipitation de GEM-32
7.2.3.1 La validation du taux de précipitations total de GEM-32
7.2.3.2 La validation du type d’accumulation de glace de GEM-32
7.3 Les validations de GEM-5
7.3.1 La Validation à l’état initial de GEM-5
7.3.2 La validation spatiotemporelle de GEM-5
7.3.3 La validation des variables de précipitation de GEM-5
7.3.3.1 La validation du taux de précipitations total de GEM-5
7.3.3.2 La validation du type d’accumulation de glace de 5 km
7.4 La comparaison des simulations : GEM-5 et GEM-32
7.4.1 La validation du taux de précipitation totale
7.4.2 La validation du type d’accumulation de glace
7.5 Une cartographie du givre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
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