Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels




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Axe 3 - Évaluation et optimisation des performances d’une turbine à axe vertical à l’aide de différentes approches numériques

Thèse de Matthieu Guilbot

Financement : CIFRE Hydroquest

Collaboration : S. Barre (équipe ENERGETIQUE), C. Bonamy (support informatique) et N. Guillaud (Hydroquest)

Dans un monde où la demande énergétique ne cesse de croitre, les énergies renouvelables comme l’hydrolien ou l’éolien apparaissent comme des alternatives durables et « éco-responsables » aux énergies fossiles. Des études récentes ont souligné les nombreux avantages des Turbines à Axe Vertical (VAT) par rapport aux Turbines à Axe Horizontal (HAT) expliquant l’intérêt grandissant pour cette technologie : insensibilité à la direction de l’écoulement, peu de chute de performances dans des écoulement fortement turbulents, meilleure résorption du sillage, ... Cependant, les VAT présentent des Coefficients de Puissance (CP) plus faibles en comparaison de ceux des HAT. La simulation numérique apparaît comme un bon outil pour étudier la dynamique complexe de l’écoulement et optimiser le design de ces turbines.

En Simulation Numérique Fluide, la modélisation de la turbulence se présente comme un des enjeux majeurs. Dans notre étude, deux niveaux de modélisation de la turbulence ont été considérés : des simulations de type Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) où toutes les échelles de la turbulence sont modélisées et des Simulations des Grandes Echelles (SGE) dans lesquelles seulement les petites échelles sont modélisées via un filtrage implicite. Dans cette étude, deux designs de VAT ont été étudiés numériquement : un rotor classique de type « H-Darrieus » et un rotor innovant. En termes d’évaluation des performances, les simulations URANS montrent des résultats assez encourageants quand la turbine fonctionne autour de son point de fonctionnement optimal : 10% d’écart sur le Coefficient de Puissance Optimal (CPopt) par rapport aux essais de référence. Cependant, pour des paramètres d’avance "lambda" plus faibles i.e. pour des angles d’attaque sur les pales plus grands, des phénomènes instationnaires comme le décrochage dynamique imposent une description plus fine de l’écoulement en proche parois : seules les SGE parviennent à prédire l’impact de ces instationnarités sur les performances globales de la turbine.

Sur la base de résultats de SGE, une analyse plus détaillée des performances a été menée afin de mieux comprendre les différences de performances entre le rotor classique de type « H-Darrieus » et le nouveau design. En définissant un Coefficient de Puissance Local (dCPloc), les zones « motrices » et « dissipatives » de chaque rotor ont été identifiées. L’évolution de cette quantité locale en fonction du point de fonctionnement considéré a permis de mieux comprendre les mécanismes de conversion d’énergie propres à chacune de ces 2 géométries.


Critère iso-Q colorié par la vorticité axiale pour le rotor H ; Répartition du coefficient de puissance local dans le plan (θ,z) pour les 2 pales du rotor « H » au point de fonctionnement optimal (θ étant la position angulaire de la turbine et z la position axiale de l’élément considéré)