Development of a representative model of a wind turbine in order to study the installation of several machines on a wind park
Développement d'un modèle représentatif d'une éolienne afin d'étudier l'implantation de plusieurs machines sur un parc éolien
Résumé
This thesis is devoted to the study of aerodynamics in wind turbines. It is divided into two main parts, one is experimental, and the other deals with modelling and numerical simulation. The velocity field downstream from a three-bladed wind turbine with a horizontal axis is explored in the wind tunnel at ENSAM-Paris. Two measurement techniques are used: hot wire anemometry and Particle Image Velocimetry (PIV). Experimental work gives a clear idea of the structure of the near wake and provides useful data to validate the numerical simulations and the hybrid models which are studied in this thesis. In the work concerning numerical simulation, two hybrid models are defined and implemented: a model of actuator disc and a model of actuator cylinder, coupled with a simulation based on the numerical resolution of the Navier-Stokes equations. These models are validated by the power of the wind turbine and on the velocity field in the near wake of the rotor. The numerical results are compared with the experimental data resulting from the tests carried out by the NREL for NREL phase II and VI cases. The experimental and numerical velocity fields are also compared in the wake of a wind turbine Rutland 503. In both validation cases, power and wake, the experimental data are in accordance with the results provided by the hybrid models. After this validation, the interaction between several wind turbines is studied and quantified. The tested hybrid models are also used to study the interaction between identical wind turbines placed one behind the other. The obtained results highlight the effect of spacing between the machines as well as the effect of free stream velocity.
Cette thèse est consacrée à l'étude de l'aérodynamique des éoliennes, elle est divisée en deux parties principales, l'une expérimentale, l'autre concerne la modélisation et la simulation numérique. Les champs de vitesses en aval d'une éolienne tripale à axe horizontal sont explorés dans la soufflerie de l'ENSAM-Paris. Deux techniques de mesure sont mises en œuvre ; l'anémométrie à fil chaud et la vélocimétrie par images de particules (PIV). Le travail expérimental, met en évidence la structure du sillage proche de l'éolienne et fournit des données importantes pour valider les simulations numériques et les modèles hybrides qui sont étudiés. Dans les travaux de simulation numérique, deux modèles hybrides ont été définis et mis en œuvre : un modèle de disque actif (DA) et un modèle de cylindre actif (CA), couplés avec une simulation basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes. Ces modèles sont validés sur la puissance de l'éolienne ainsi que sur le champ de vitesse en aval du rotor. Pour la puissance, les résultats numériques sont comparés avec les données expérimentales issues des essais réalisés par le NREL sur les éoliennes NREL phase II et VI. Pour les champs de vitesse, les simulations sont comparées avec les résultats d'exploration en aval d'une éolienne Rutland 503 dans la soufflerie de l'ENSAM. Dans les deux cas de validation, puissance et sillage, l'accord entre les données expérimentales et les résultats fournis par les modèles hybrides est correct. Les modèles hybrides testés sont également utilisés pour étudier l'interaction entre des éoliennes identiques placées l'une derrière l'autre. Les résultats obtenus mettent en évidence l'effet de l'espacement entre les machines ainsi que l'effet de la vitesse du vent à l'infini amont.
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