Etude des effets d'un fort niveau de turbulence sur l'aérodynamique des éoliennes à axe horizontal

Description

èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001 446 ETUDE DES EFFETS D'UN FORT NIVEAU DE TURBULENCE SUR L'AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES A AXE HORIZONTAL Thomas LAVERNE, Jacques HUREAU, Philippe DEVINANT Laboratoire de Mécanique et d'Energétique 8 rue Léonard De Vinci – 45072 Orléans Cedex 02 Résumé : En vue de fournir des données à un code de calcul, des essais de profil ont été réalisés en soufflerie. Ces essais ont permis d'obtenir les caractéristiques du profil (coefficients de portance, de traînée et de moment de tangage) pour différents taux de turbulence et vitesses de l'écoulement amont. Des essais d'une éolienne complète ont ensuite été réalisés en soufflerie. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques est en cours afin de valider notre code. Abstract : In order to provide data to a numerical code, profile experiments were carried out in a wind tunnel. These experiments allowed us to get profile characteristics (lift, drag and pitching moment coefficients) for different upstream flow turbulence rates and velocities. Then, wind tunnel experiments on a complete wind turbine were implemented. Comparison between experimental and numerical results are ni progress in order to validate our code. Mots clés : Eolienne, turbulence, soufflerie. 1 Introduction L’objectif à long terme des travaux est de disposer d’outils fiables de prévision de l’aérodynamique des éoliennes. L’analyse de l’aérodynamique ...

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XV

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Congrès Français de Mécanique

Nancy, 3 – 7 Septembre 2001

1

446

E

TUDE DES EFFETS D

'

UN FORT NIVEAU DE TURBULENCE SUR

L

'

AERODYNAMIQUE DES EOLIENNES A AXE HORIZONTAL

Thomas LAVERNE, Jacques HUREAU, Philippe DEVINANT

Laboratoire de Mécanique et d'Energétique

8 rue Léonard De Vinci – 45072 Orléans Cedex 02

Résumé :

En vue de fournir des données à un code de calcul, des essais de profil ont été réalisés en soufflerie. Ces essais

ont permis d'obtenir les caractéristiques du profil (coefficients de portance, de traînée et de moment de tangage)

pour différents taux de turbulence et vitesses de l'écoulement amont. Des essais d'une éolienne complète ont

ensuite été réalisés en soufflerie. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques est en cours afin de

valider notre code.

Abstract :

In order to provide data to a numerical code, profile experiments were carried out in a wind tunnel. These

experiments allowed us to get profile characteristics (lift, drag and pitching moment coefficients) for different

upstream flow turbulence rates and velocities. Then, wind tunnel experiments on a complete wind turbine were

implemented. Comparison between experimental and numerical results are ni progress in order to validate our

code.

Mots clés :

Eolienne, turbulence, soufflerie.

1 Introduction

L’objectif à long terme des travaux est de disposer d’outils fiables de prévision de

l’aérodynamique des éoliennes. L’analyse de l’aérodynamique de l’éolienne complète

nécessite des méthodes tridimensionnelles, avec prise en compte de l’émission d’un sillage.

Compte tenu de l’allongement de la pale, les méthodes de type ligne portante sont tout

indiquées. Elles permettent aussi de prendre en compte, au niveau des profils de pale, des

comportements réalistes incluant des effets de turbulence et de décrochage issus d’essais en

soufflerie. On se limite ici au cas stationnaire, et le code de calcul utilisé permet d’étudier, à

partir des essais de profils, l’effet de la prise en compte de la turbulence et du décrochage sur

l’aérodynamique du rotor de l’éolienne, et de comparer ses résultats avec ceux obtenus en

soufflerie dans les mêmes configurations.

Le travail se décompose ainsi en deux étapes principales : tout d'abord, l'étude du

profil NACA 65

4

-421, utilisé sur des éoliennes existantes, dans la soufflerie Lucien Malavard,

ensuite l'étude d'une éolienne munie de pales à profil NACA 65

4

-421. Cette étude se divise

elle-même en trois : le calcul des performances de l’éolienne obtenues par un code utilisant les

résultats 2D, puis la mesure des performances d’une éolienne en 3D avec pale à profil NACA

65

4

-421 en soufflerie et la comparaison des résultats expérimentaux et numériques.

2 Etude du profil NACA 65

4

-421 en soufflerie

Le but de ces essais est de connaître l'influence du nombre de Reynolds et du

taux de turbulence sur les caractéristiques aérodynamiques du profil. Les essais ont été

réalisés pour quatre taux de turbulence obtenus à l'aide de grilles de turbulence. Ces taux sont

de l'ordre de 0,5% sans grille, puis de 4%, 9,5% et 16% pour les trois grilles [1, 2].

Pour chacun de ces quatre taux, les coefficients de portance Cz, de traînée Cx et de

moment de tangage Cm (au quart avant du profil) ont été mesurés en fonction de l'incidence

du profil et cela à différentes vitesses. Sans grille, la vitesse maximale atteinte est de 50 m/s,

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pour les deux grilles les plus petites, elle est de 30 m/s et pour la grosse grille, on a au

maximum 20 m/s de vent. Le balayage en incidence s'étend de -10° à 90°. Les efforts sur le

profil ont été mesurés de deux façons différentes : par pesée à l'aide d'une balance

aérodynamique et par intégration des pressions le long d'une corde du profil.

2.1 Influence du nombre de Reynolds

Pour un taux de turbulence donné, l'influence du nombre de Reynolds est assez

marquée. On présente en exemple sur la figure 1 l'évolution du

Cz en fonction de l'incidence

à 9% de turbulence pour différentes valeurs du nombre de Reynolds. On constate que les

courbes présentent trois parties distinctes. La première partie est une partie linéaire jusqu'à

environ 10°. La seconde partie qui s'étend de 10° à 30° ou 35° selon les cas correspond au

décrochage : le point de décollement sur l'extrados se déplace du bord d'attaque vers le bord

de fuite. Enfin, la dernière partie correspond à un comportement de plaque plane et les

courbes se rejoignent.

D'autre part, on remarque qu'une augmentation du Reynolds se traduit par un début de

décrochage plus tardif, c'est-à-dire à une incidence plus élevée. De plus, les valeurs maximales

de Cz sont

plus élevées lorsque le Reynolds est plus important. Par exemple, on a un Cz

maximal de 1,45 à 22° pour Re = 6.10

5

et de 1,21 à 16° pour Re = 10

5

. De plus, on peut

constater que l'incidence pour laquelle le Cz croît à nouveau augmente avec le nombre de

Reynolds. Ainsi, cela se produit à 30° pour Re = 10

5

et 36° pour Re = 6.10

5

. Enfin, on peut

noter une légère augmentation de la pente dans la partie linéaire de la courbe. Cela ne modifie

toutefois pas l'angle de portance nulle [3].

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

incidence

Re=100000

Re=200000

Re=300000

re=400000

Re=500000

Re=600000

Figure 1 : Courbes Cz en fonction de l'incidence pour un taux de turbulence de 9%

En ce qui concerne l'évolution du Cx avec l'incidence, on retrouve le décalage en

incidence du décrochage. En effet, l'augmentation de pente intervient à 21° pour Re = 2.10

5

et

à 25° pour Re = 6.10

5

comme on peut le constater par exemple sur le graphe de la figure 2.

Pour le Cm réduit au quart avant du profil, on peut noter que le changement de pente

apparaît pour des incidences croissantes avec le nombre de Reynolds. Cela se produit à 18°

pour Re = 2.10

5

et à 20° pour Re = 6.10

5

.

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3

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

incidence

Cx_Re=200000

Cx_Re=300000

Cx_Re=600000

Cm_Re=200000

Cm_Re=300000

Cm_Re=600000

Figure 2 : Courbes Cx et Cm en fonction de l'incidence pour un taux de turbulence de 4,5%

2.2 Influence du taux de turbulence

Le taux de turbulence a un effet notable sur le comportement du profil(fig.3). En effet,

l'incidence du Cz maximal augmente très nettement avec le taux de turbulence. On passe par

exemple ainsi de 9° pour un taux de turbulence de 0,5% à 24° pour un taux de turbulence de

16% avec Re = 4. De plus, le Cz maximum augmente avec le taux de turbulence. D'autre part,

à Reynolds égal, le moment où le Cz recommence à croître avec l'incidence augmente avec le

taux de turbulence. Ainsi, pour Re = 4.10

5

, le Cz est à nouveau croissant pour une incidence

de 23° en turbulence de 0,5%. Pour une turbulence de 9%, cela se produit à 36°. Enfin à 16%,

cela a lieu à 38° et la hausse du Cz est alors minime. On peut de plus noter que la pente des

courbes dans leur partie linéaire diminue lorsque l'incidence augmente. Il semble ainsi que la

turbulence a un effet de lissage sur le comportement du profil. En effet, la courbe a une pente

moins forte dans sa partie linéaire et le décrochage est beaucoup plus progressif avec la hausse

du taux de turbulence. Comme sur la figure 1, on constate que les courbes se rejoignent pour

une incidence supérieure à 60° et que le nombre de Reynolds et le taux de turbulence n'ont

plus d'effets.

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

incidence

Cx_0,5%

Cx_4,5%

Cx_9%

Cx_16%

Cm_0,5%

Cm_4,5%

Cm_9%

Cm_16%

Cz_0,5%

Cz_4,5%

Cz_9%

Cz_16%

Figure 3 : Courbes Cz, Cx et Cm en fonction de l'incidence pour un nombre de Reynolds Re = 4.10

5

En ce qui concerne les évolutions du Cm et du Cx en fonction de l'incidence, on

retrouve le même effet de "lissage" de la courbe dû à la turbulence que dans le cas du Cz. De

plus, pour des incidences inférieures à 60°, c'est-à-dire dans la plupart des cas de

fonctionnement d'une éolienne, le Cx est d'autant moins élevé que la turbulence est forte.

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4

Après cette étude du profil NACA 65

4

-421 en soufflerie, nous disposons maintenant

d'une base de données qui va nous servir d'entrées pour notre code de calcul de performances

d'éoliennes.

3 Etude d'une éolienne à pales de profil NACA 65

4

-421

3.1 Présentation du code de calcul

Le programme est une adaptation aux éoliennes d’un code de calcul aérodynamique

d’hélices. Ce code est basé sur la théorie de la ligne portante. Les vitesses induites sont

calculées itérativement avec la formule de Biot et Savart. Le sillage, mis en équilibre, est

composé d’hélices de filaments tourbillonnaires. Ce code a pour données d’entrée les courbes

des coefficients de portance Cz, de traînée Cx et de moment de tangage Cm du profil

constituant les pales de l’éolienne. Cela permet ainsi de prendre en compte la turbulence de

l'écoulement amont ainsi que la variation du nombre de Reynolds le long de la pale. C’est

grâce à ces courbes que l’on peut calculer les efforts aérodynamiques sur les pales une fois

que l’on connaît les vitesses et incidences induites.

3.2 Etude de l'éolienne en soufflerie

Afin de pouvoir tester des éoliennes dans la soufflerie de l'ESEM, un banc balance

ayant pour fonction de mesurer les vitesse de rotation, traînée et couple des éoliennes a été

réalisé.

Un frein est monté sur l'axe de rotation de l'éolienne pour simuler la charge. Il a pour

fonction de maintenir le couple constant. De plus, un capteur de couple, un capteur de force et

un tachymètre fournissent respectivement le couple, la poussée axiale de l'éolienne et la

vitesse de rotation. Enfin, un boîtier électronique pilote et régule le couple sur l'arbre.

L'éolienne utilisée a un profil de pale NACA 65

4

-421. Le diamètre de l’éolienne est de

1,34 m et ses pales ont une corde 75 mm.

La grandeur principale étudiée durant les essais est le coefficient de puissance

3

2

1

V

S

Puissance

Cp

⋅

⋅

⋅

=

ρ

où S est la surface du disque éolien, V la vitesse de l'écoulement amont et

ρ

la

masse volumique de l'air. Le Cp est tracé en fonction de la vitesse spécifique

V

R

⋅

=

ω

λ

où

ω

est la vitesse de rotation de l'éolienne et R son rayon. Le coefficient de traînée

3

2

1

V

S

Traînée

Ct

⋅

⋅

⋅

=

ρ

a également été mesuré à l'aide du capteur de force.

Durant ces essais, diverses configurations ont été étudiées. Les différences entre

chaque configuration provenaient de la variation de la vitesse (de 7 à 28 m/s) et du taux de

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turbulence de l’écoulement amont (4, 9 et 12%) et du calage des pales de l’éolienne (8, 15 et

22°). La variation du calage permet de couvrir une plage de fonctionnement importante et

d’obtenir une large gamme de puissance et de traînée. La variation de la vitesse permet

d’étudier les effets du Re. D'autre part, les vitesses de rotation atteintes sont de l'ordre de 1100

tr/min au maximum et de 400 tr/min au minimum.

On retrouve les effets classiques de la variation de calage. En effet, plus le calage est

faible et plus le Cp est élevé. D’autre part, pour de faibles angles de calage, l’éolienne

fonctionne pour des vitesses spécifiques plus importantes.

La vitesse amont, et donc le nombre de Reynolds, joue elle aussi un rôle non

négligeable dans l’évolution du Cp. A titre d'exemple, on présente les courbes ci-après, tirées

des essais effectués pour une turbulence de 4% et pour un calage de 22° (figure 4)

Cp turbulence 4% calage 22°

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

vitesse spécifique

14 m/s

18 m/s

20 m/s

26 m/s

Figure 4 - Effet de la vitesse amont sur le coefficient de puissance

Le taux de turbulence de l'écoulement amont a également un effet très prononcé sur le

coefficient de puissance, ainsi que l'on peut s'en apercevoir sur le graphique suivant (figure 5).

Cp à 14 m/s avec calage de 15°

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0

1

2

3

4

5

6

vitesse spécifique

turbulence 4%

turbulence 9%

turbulence 12%

Figure 5 - Effet de la turbulence de l'écoulement amont sur le coefficient de puissance

3.3 Comparaison des résultats expérimentaux et numériques

Afin de comparer les résultats fournis par les essais en soufflerie et ceux obtenus à

l'aide du code de calcul, toutes les configurations étudiées en soufflerie (turbulence 4% et 9%)

sont calculées avec le code. Les premiers résultats semblent indiquer que dans quasiment tous

les cas, les coefficients de puissance obtenus par le code de calcul sont inférieurs à ceux

relevés lors des essais en soufflerie. Les courbes de la figure 7 sont représentatives des cas

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étudiés. Il s'agit de la comparaison entre calcul et expérience pour un taux de turbulence de

4%, une vitesse de 18 m/s et un angle de calage de 22°.

Turbulence 4%, vitesse 18 m/s, calage 22°

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

vitesse spécifique

Cp expérimental

Cp calcul

Figure 6 –Comparaison des valeurs de Cp obtenus par le calcul et par l'expérience

Trois raisons semblent pouvoir être à la base des écarts constatés entre les relevés

expérimentaux et les calculs. Il s'agit des effets dus au confinement lors des essais, au retard

du décollement de la couche limite en raison de la rotation et à la géométrie du sillage telle

qu'elle est prise en compte dans le code de calcul.

4 Conclusion

Ainsi, l'étude du profil NACA 65

4

-421 en soufflerie pour différents taux de turbulence

et vitesses de l'écoulement amont nous a procuré une importante base de données concernant

le comportement de ce profil. Ces données servent de grandeurs d'entrée à un code de calcul

de performances d'éoliennes.

Des essais d'une éolienne complète en soufflerie ont également été réalisés. Cela a

permis la comparaison des résultats expérimentaux et numériques. Des différences

importantes apparaissent et le travail en cours consiste à savoir d'où elles proviennent et à y

remédier.

Ce travail est financé par l'ADEME et la région Centre.

Références

[1] W.D. Baines, E.G. Peterson (1951). An investigation of flow through screens.

Transactions of the ASME, July 1951, pp. 467-480.

[2] COMTE-BELLOT G., CORRSIN S. (1966). The use of contraction to improve the

isotropy of a grid generated turbulence. J.F.M. Vol. 25, Part

4.

[3] Abbott I. H., Von Doenhoff A. E. (1958). Theory of wing sections. pp. 648-649. Dover

publications, Inc., New-York.

[4] Zhaohui Du, M.S. Selig (2000). The effect of rotation on the boudary layer of a wind

turbine blade. Renewable Energy 20, pp167-181.

[5] Pascal Berlu (2000). Calcul des efforts subis par les éoliennes de moyenne et forte

puissance. Thèse de l'université des Sciences et Technologies de Lille I.

[6] TEUNISSEN H.W. (1980). Structure of mean winds and turbulence in the planetary

boudary layer over rural terrain. Boudary Layer Meteorology, Vol. 19, n°2, pp. 187-221.