Simulation numérique du sillage des éoliennes à l’aide de la méthode hybride du disque actuateur

Abstract

L’objectif de ce travail est d’effectuer une étude numérique, permettant de prédire le sillage d’une éolienne à axe horizontal. Cette étude est basée sur la méthode hybride fondée sur le couplage de la théorie de l’élément de pale (Blade Element Momentum, BEM) aux équations de la dynamique des fluides (Computational Fluid Dynamics,CFD). Elle consiste à représenter le rotor par des forces axiales et tangentielles implémentées aux équations de mouvement à travers des termes sources. Les équations de Navier-Stokes, régies par une formulation RANS sont résolues numériquement dans un domaine tridimensionnel par la méthode des volumes finis, à l’aide du solveur Ansys FLUENT. Le modèle kε standard est utilisé comme un modèle de fermeture des différentes sources de turbulence. Un programme décrivant le modèle du disque actuateur, initialement conçu pour les rotors d’hélicoptère est adapté, dans ce travail aux rotors des éoliennes à travers une UDF (User Defined-Function). Elle est appliquée à la turbine MEXICO. Une tripale de 4.5m de diamètre et une hauteur de mât de 5.49 m. Ses pales, de corde variable et twist variable sont composées de trois profils notamment DU91-W2-250, le RISØ A1-A2 et le profil NACA-64-418 distribués respectivement. Afin de prendre en considération la variation de la corde et twist des pales de la MEXICO et les variations du profil, des modifications sont introduites dans l’UDF pour permettre l’implémentation des forces aérodynamiques calculées sur la base des coefficients de portance et de traînée, relatifs à chaque profil à la position de l’élément de pâle dr. Elle est ensuite, implémentée dans la zone du rotor et compilée sous le code Ansys FLUENT, afin d’étudier le déficit de vitesse induit par le sillage de la MEXICO et ceux pour des vitesses incidentes de 10 m/s, 15m/s et 24 m/s. La comparaison des résultats du sillage proche et du sillage lointain, obtenus par le présent travail avec les données expérimentales ont montré une concordance appréciable.