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Theses Year : 2010

Contribution to aerodynamic study of wind turbine using a free wake method

Contribution a l'étude aérodynamique d'une éolienne par une méthode de sillage libre

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Abstract

This thesis presents a method for calculating the unsteady three-dimensional flow around a wind turbine rotor. The real flow is replaced by a free stream past a vortex model of the rotor. This model consists of lifting vortex lines which replace the blades and a trailing free vorticity. For simplicity the vorticity shed from the blade trailing edge is concentrated in two vortices issued from tip and root. To compute the resulting flow and to evaluate the unsteady forces exerted on the rotor, a free wake method is used. This method consists of a Lagrangian representation of the flow field. The evolution of the wake downstream of the rotor is obtained by tracking the markers representing the vortices issued from the blade tips and roots. To solve the wake governing equation and to obtain the marker positions, a time-marching method is applied and the solution is obtained by a second order predictor-corrector scheme. The free wake methods are usually inviscid, but in the present approach, the viscous effects are taken into account. It is supposed that the induced velocity on vortex line is limited by a maximum velocity in the viscous vortex core. The diffusion of the vortex lines and the vortex core growth are supposed to depend on vortex age. All constants needed to represent the viscosity effects are extracted from experiments. To validate the proposed method a comparison is made with experimental data obtained in the case of a model of wind turbine where the flow field immediately behind the rotor is measured by means of particle image velocimetry (PIV). It is shown that the numerical simulation captures correctly the near wake development.
Ce travail présente une méthode de calcul de l'écoulement tridimensionnel instationnaire autour d'un rotor éolien. L'écoulement réel au travers du rotor est remplacé par un écoulement de fluide parfait au travers d'un système tourbillonnaire équivalent. Ce système comporte des tourbillons attachés aux pales et des tourbillons libres détachés des pales. Pour simplifier, la vorticité issue des pales est supposée concentrée dans deux tourbillons à l'extrémité et au pied de chaque pale. Pour calculer l'écoulement résultant et évaluer les efforts instationnaires exercés sur la structure du rotor, une méthode de sillage libre a été mise en œuvre. Dans cette méthode on utilise une description lagrangienne de l'écoulement. L'évolution du sillage à l'aval du rotor est obtenue en suivant l'évolution spatio-temporelle de marqueurs qui représentent les tourbillons issus de l'extrémité et du pied de chaque pale. Pour résoudre l'équation qui gouverne l'évolution du sillage et pour obtenir les positions des marqueurs, une méthode utilisant un schéma explicite prédicteur-correcteur du deuxième ordre est mise en œuvre. La méthode de sillage libre suppose un fluide parfait mais dans ce travail les effets visqueux sont pris en compte. Les vitesses induites par les lignes tourbillonnaires sont supposées limitées par une vitesse maximale du noyau tourbillonnaire. Les coefficients nécessaires pour représenter l'influence de la viscosité sont obtenus expérimentalement. La validation de la méthode proposée est réalisée par comparaison avec des résultats expérimentaux où l'écoulement en aval du rotor est exploré en utilisant la technique de vélocimétrie par image de particules (PIV).
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Dates and versions

pastel-00510801 , version 1 (21-08-2010)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00510801 , version 1

Cite

Said Chkir. Contribution a l'étude aérodynamique d'une éolienne par une méthode de sillage libre. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2010. Français. ⟨NNT : 2010ENAM0025⟩. ⟨pastel-00510801⟩
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