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Simulations des grands tourbillons des sillages de parcs éoliens basées sur la méthode de Boltzmann sur réseau, sous l'influence de la stabilité thermique atmosphérique

Year: 2024
Type: dissertation
Abstract: L'énergie éolienne a connu une croissance rapide ces deux dernières décennies grâce à sa propreté et son faible coût économique.Optimiser les éoliennes et les parcs éoliens est essentiel pour exploiter pleinement cette ressource. Les turbines éoliennes génèrent une forte turbulence et un sillage à faible vitesse, ce qui affecte les turbines en aval et réduit leur production. De plus, l'aérodynamique des éoliennes est influencée par la couche limite atmosphérique (CLA), rendant cruciale l'étude de leur interaction pour optimiser la conception et les performances des parcs éoliens.Les simulations numériques présentent des avantages sur les études expérimentales pour analyser ces interactions. Bien que les simulations de haute fidélité soient précises, leur coût computationnel élevé limite leur utilisation industrielle. La méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) offre une alternative efficace, équilibrant coûts et précision. Cette étude combine LBM et simulation des grandes échelles (LES) pour analyser les écoulements de sillage des éoliennes et des parcs éoliens. Les éoliennes sont modélisées avec le modèle de ligne d'actionneur, et les flux de momentum et de chaleur sont représentés par la théorie de Monin-Obukhov. La méthode des tourbillons synthétiques (SEM) est utilisée pour générer la turbulence en entrée.Une validation complète du modèle numérique a été effectuée, intégrant le modèle de ligne d'actionneur dans le solveur LBM-LES, et simulant les écoulements de sillage sous différentes conditions de stabilité atmosphérique et de couche limite neutre (NBL). Les résultats montrent une bonne concordance avec les données de référence, mettant en évidence l'influence de la stabilité thermique sur les caractéristiques du sillage, telles que le déficit de vitesse et le taux de récupération. L'écoulement de sillage se stabilise après un ajustement initial en conditions de température uniforme.Des études supplémentaires ont été menées sur les sillages des parcs éoliens terrestres et offshore sous l'influence de la stabilité thermique de la CLA. Pour les parcs terrestres, les effets des conditions stables et convectives ont été comparés. Le sillage derrière les deux premières rangées se rétablit plus rapidement en conditions convectives en raison de la turbulence ambiante accrue, tandis que la vitesse du sillage stabilisé est plus élevée en conditions stables, en raison des gradients de vitesse et des contraintes de cisaillement plus importants. Les effets de la stabilité thermique sont à la fois indirects (influence sur la turbulence ambiante et les gradients de vitesse) et directs (impact des forces de flottabilité). Au-delà des deux premières rangées, la rotation des turbines mélange les flux de températures élevées et basses, neutralisant l'écoulement.Pour les parcs éoliens offshore, les simulations montrent que l'écoulement de sillage se stabilise après la deuxième turbine avec une récupération plus lente en raison d'une moindre turbulence d'entrée. La comparaison des résultats des modèles analytiques avec ceux de LES révèle que le modèle PARK surestime la vitesse de sillage derrière la première turbine et sous-estime la vitesse du sillage proche tout en surestimant celle du sillage éloigné. Le modèle NPA sous-estime l'écoulement de sillage derrière la première turbine mais prédit correctement l'équilibre du sillage, bien qu'il surestime l'écoulement devant chaque rangée de turbines en raison de l'absence de prise en compte de l'effet de blocage.
Author: Wang, Ziwen
Language: English
Open Access status: green
OpenAlex ID: W6987256481
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