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Revue des Energies Renouvelables Vol. 18 N°1 (2015) 31 – 38 31 Modélisation d’u

Revue des Energies Renouvelables Vol. 18 N°1 (2015) 31 – 38 31 Modélisation d’un écoulement pulsatif et oscillatoire autour d’une pale d’éolienne HAWT Application au décrochage dynamique A. Nouioua et R. Dizene Laboratoire de Mécanique Avancée, LMA Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene, USTHB B.P. 32, El Alia, Bab Ezzouar, Algiers, Algeria (reçu le 10 Août 2014 – accepté le 25 Mars 2015) Résumé – L’étude d’une turbine éolienne à axe horizontal (HAWT) soumise à des conditions de fonctionnement en présence de vent est très complexe, car la machine est soumise à une variation instantanée de la vitesse et de la direction du vent, qui peut conduire inévitablement les aubes de turbine en phase de décrochage dynamique. L’intensité de ce phénomène conduit à une baisse soudaine du coefficient de portance et donc à la dégradation de ses performances aérodynamiques. Ce présent travail est une simulation numérique bidimensionnelle de la variation instantanée de la direction du vent par rapport à la pale de turbine, comparée aux données expérimentales disponibles dans la littérature. L’effet de la variation de l’angle d’incidence d’un profil S809 est donc étudié en utilisant une approche URANS pour prédire le décrochage. La modélisation de la turbulence est assurée à l’aide des modèles k-ε et k- SST. Le logiciel Fluent est utilisé pour la résolution numérique des équations URANS. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales rapportées par la littérature. Les résultats montrent l’importance de prendre en compte le comportement de l’écoulement instationnaire dans les analyses afin d’obtenir une estimation précise des charges aérodynamiques qui agissent sur l’éolienne. Abstract – The study of a horizontal axis wind turbine (HAWT) submitted to operation conditions with wind is very complex, because the machine is subject to instant variation of the speed and the wind direction, which leads necessarily the turbine blades to dynamic pull-out phase. The intensity of this phenomenon generates to a brutal decrease in lift coefficient and so the deterioration of its aerodynamic performances. The present work is a numerical bidimensional simulation of the instant variation of the wind direction according to the turbine blade, compared to available experimental datas in literature. The variation effect od the angle of incidence of an S809 profil is then studied using an URANS approach to predict the off-hook. Model the disturbance is assured with k-ε and k- SST models. The software Fluent is used to resolve numerically urans equations. Numerical results are compared with experimental datas reported by the literature. Results show the importance of taking in account the behaviour of the unsteady flow in analyzes in order to obtain precize estimation of aerodynamic charges which affect the wind turbine. Mots clés: Eolienne HAWT - Décrochage dynamique - Profil aérodynamique – CFD – Fluent - Méthodes RANS - URANS. 1. INTRODUCTION L’étude aérodynamique est une science qui consiste à étudier le comportement d’écoulement des gaz (généralement l’air) autour d’un obstacle. Autrement dit, à étudier l’interaction entre le milieu solide et le milieu fluide en mouvement. Malheureusement, l’étude expérimentale est couteuse et elle n’est pas évidente dans la plupart des cas. Le CFD ‘Computational Fluid Dynamics’ est devenue une partie intégrale de la conception de l’ingénierie et un environnement d’analyse pour beaucoup de compagnies A. Nouioua et al. 32 qui ont besoin de l’aptitude de prévoir la performance de nouvelles conceptions ou les processus, avant d’être manufacturé ou mises en application. Les solutions de CFD à partir des ANSYS sont basées sur la technologie prouvée du logiciel Fluent. Les forces aérodynamiques de la pale responsable de la production de l’énergie doivent être augmentées afin de maximiser la capture de l’énergie. Dans un même temps, les effets de ces charges aérodynamiques sur les composants de l’éolienne doivent être atténués afin de prolonger la durée de vie de la machine. Ce travail a pour objectif de prédire le phénomène du décrochage dynamique d’un écoulement turbulent autour d’une pale de rotor HAWT. Le profil de la pale choisi pour ces simulations est le NREL (National Renewable energy Laboratory) S809. Nous avons choisi ce profil car il existe un nombre important d’expérimentation dans la littérature le concernant. La variation du champ de vitesse est décrite par un programme C++ qu’on introduit directement dans le solveur. La modélisation de la turbulence est assurée par l’utilisation de trois modèles de turbulence qui sont le   k Standard,   k RNG et le   k SST. Dans le but de valider cette démarche numérique, une comparaison des résultats numériques avec des données expérimentales [1, 2], issue de la bibliographie a été faite. L’écoulement considéré est en 2D autour du profil animé d’un mouvement d’oscillation, simulé par un champ de vitesse à incidence variable. 2. MODELE MATHEMATIQUE Pour un écoulement incompressible, les équations régissant la conservation de la masse et la quantité de mouvement sont données respectivement par: Equation de la continuité 0 x U i i    (1) Equation de quantité de mouvement j j i 2 j j i j i x x U x P 1 x U U t U                (2) 2.1 Modèle de turbulence Les modèles qui se fondent sur l’approche statistique sont les plus répandus. Ils reposent sur la décomposition classique de Reynolds en quantités moyenne et fluctuante. Parmi les nombreux modèles de turbulence, le code de calcul Fluent propose trois méthodes de fermeture basées sur l’approche statistique: ▪Le modèle   k et ses variantes; ▪Le modèle de turbulence   k ; ▪Le modèle des contraintes de Reynolds (RSM) et ses variantes. On s’intéresse à ces trois modèles de turbulence, puisque Fluent propose d’autres modèles, tel que Spalart-Allmaras et aussi l’approche LES. 2.2 Modèle k-ε [3] Ce modèle propose deux équations pour déterminer la viscosité turbulente, ce dernier fait donc partie des modèles dits à deux équations. Ce modèle est le plus connu Modélisation d’un écoulement pulsatif et oscillatoire autour d’une pale d’éolienne… 33 et le plus utilisé dans l’industrie jusqu’à présent. Il se base sur les équations de l’énergie cinétique k et de la dissipation turbulente . Ce modèle suppose que le régime de turbulence est pleinement établi dans tout le domaine et que les effets de la viscosité moléculaire sont négligeables par rapport à ceux de la viscosité turbulente (loin des parois). Il est basé sur l’hypothèse de Boussinesq. Dans ce travail, on a opté pour les variantes de   k suivantes: ●   k standard . ●   k RNG (Reynolds Normalization Group). 2.3 Modèle k-ω SST [4] Le modèle SST ou transport des contraintes de cisaillement turbulentes été développé efficacement par Menter (1996), il est dérivé du modèle   k Standard. Ce modèle combine la robustesse et la précision de la formulation du modèle   k dans la région proche de la paroi avec le modèle   k et toutes ses caractéristiques citées plus haut pour les écoulements libres loin de la paroi. Ce modèle est principalement conseillé dans le cas d’applications, telles que les fluides subissant des changements soudains de contrainte, s’écoulant dans des surfaces courbées ou dans les cas de séparation de la couche limite. Nous avons choisi d’adopter ce modèle à notre phénomène en vue des différents avantages qu’il offre pour ce type de configurations. 3. MODELISATION NUMERIQUE L’étude de notre problème implique la résolution d’un système d’équations mathématiques, aux dérivées partielles de type elliptique. Cela nécessite une approche par une voie numérique. Nous avons opté dans cette étude pour l’utilisation du code de calcul ‘Fluent’ comme solveur, et le ‘Gambit’ pour la description géométrique et le maillage. ‘Gambit’ est un logiciel de génération tridimensionnelle de maillage. Les maillages générés peuvent être utilisés par de nombreux logiciels d’analyse que ce soit pour la résistance des matériaux par éléments finis ou pour la simulation des écoulements fluides dont fait parti ‘Fluent’. 3.1 Méthode des volumes finis Plusieurs méthodes de discrétisation des équations différentielles aux dérivées partielles sont utilisées actuellement, telles que: la méthode des volumes finis, des différences finies et des éléments finis. Le code Fluent utilise la méthode des volumes finis, car elle apporte une généralité beaucoup plus importante par son formalisme, son traitement conservatif, ainsi que par son adaptation au problème physique, et par sa simplicité dans la linéarisation des termes. Ces critères ont donné à cette méthode, une stabilité numérique et une convergence plus efficace. La méthode des volumes finis est caractérisée par son avantage à satisfaire la conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie dans tous les volumes finis ainsi dans tout le domaine de calcul. Elle facilite la linéarisation des termes non linéaires dans les équations de conservation, telle que le terme source par exemple. A. Nouioua et al. 34 La méthode consiste à partager le domaine de calcul en plusieurs volumes, où chaque volume entoure un nœud. En utilisant différents schémas d'approximations on peut intégrer les termes des équations différentielles modélisant sur chaque volume de contrôle, où les valeurs uploads/Management/ art18-1-4.pdf