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Theses Year : 2022

aero-elastic modeling of floating wind turbines with vortex methods

Modélisation aéro-élastique des éoliennes flottantes avec des méthodes vortex

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Abstract

Floating offshore wind turbines are set on a foundation free to move under the effect of the winds and waves. This induces a relative motion between the wind turbine rotor and the incoming wind. The Blade Element Momentum Theory, widely used to study the aerodynamics of wind turbines relies on empirical corrections to model these unsteady conditions. In this thesis, medium fidelity aerodynamic models are used to provide more insight into the unsteady aerodynamic loads on a moving wind turbine rotor. The phenomenon of dynamic inflow is studied with regard to floating wind turbines. Imposed surge motions are first explored with a lifting line free vortex wake model and an actuator line model. The aerodynamics of a wind turbine after three perturbations are studied: a blade pitch step; a rotor speed step and a surge velocity step. The Free Vortex Wake method and an analytical helical vortex model based on the Joukowsky rotor model are used to study the dynamic behavior of the induced velocity at the blades. To improve upon the imposed motions cases, a Free Vortex wake code is coupled to a hydro-servo-elastic code to study floating wind turbines in real metocean conditions. A wake simplification model is proposed to enable long simulations at a reasonable computational cost. The coupled code is validated against experimental and numerical data. The aero-hydro-servo-elastic code is used to evaluate the influence of the aerodynamic models on the computed damage of an industrial scale floating wind turbine.
Les éoliennes flottantes sont placées sur un flotteur, libre de bouger sous l'effet combiné du vent et des vagues. Cela induit un mouvement relatif entre l'éolienne et le vent incident. La méthode Blade Element Momentum largement utilisée pour l'étude aérodynamique des éoliennes utilise des corrections empiriques pour modéliser ces conditions instationnaires de fonctionnement. Dans cette thèse, des modèles aérodynamiques de niveau intermédiaire sont utilisés pour améliorer la compréhension des forces aérodynamiques instationnaires sur une éolienne en mouvement. Le phénomène de Dynamic Inflow est étudié pour les éoliennes flottantes. Des mouvements de translation imposés sont d'abord étudiés avec un modèle vortex à ligne portante ainsi qu'un modèle Actuator Line. L'aérodynamique d'une éolienne après trois perturbations est étudiée : un changement de l'angle d'orientation des pâles, un changement de la vitesse de rotation et un changement de la vitesse de translation du rotor. La méthode Free Vortex Wake à ligne portante et un modèle hélicoïdale analytique basé sur le modèle de rotor de Joukowsky sont utilisés pour étudier le comportement dynamique de la vitesse induite par le sillage au niveau des pâles. Pour approfondir l'étude de l'aérodynamique des éoliennes flottantes, un modèle Free Vortex Wake à ligne portante est couplé à un code hydro-servo-élastique pour étudier les éoliennes flottantes dans des conditions réelles de fonctionnement. Une méthode de simplification du sillage est proposée pour pouvoir réaliser des simulations de temps physique long à un coût de calcul raisonnable. Le code couplé est validé par comparaison à des résultats expérimentaux et numériques. Le code aero-hydro-servo-élastique est utilisé pour évaluer l'influence du modèle aérodynamique sur les dommages dus à la fatigue pour une éolienne flottante de taille industrielle.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03901284 , version 1 (15-12-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03901284 , version 1

Cite

Rémi Corniglion. aero-elastic modeling of floating wind turbines with vortex methods. Mechanical engineering [physics.class-ph]. École des Ponts ParisTech, 2022. English. ⟨NNT : 2022ENPC0015⟩. ⟨tel-03901284⟩
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