Optimisation de la loi de calage d'une turbine à axe vertical : expériences et validations numériques
Institution:
Ecole centrale de MarseilleDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
It is now urgent to take climate change into consideration and to limit global warming. Vertical axis turbines, such as wind or hydro turbines, offer an opportunity to diversify the energy mix. Despite lower efficiency than its horizontal axis cousin and the difficulty of self-start, the vertical axis turbine offers advantages such as lower dependence on flow quality and easier maintenance. It can therefore be used as a wind turbine, particularly in urban areas to decentralize energy production, or as a tidal or river turbine. One solution to remedy the performance deficit of vertical axis turbines is the implementation of a pitch angle to modify the angle of incidence of the blades in the flow and thus increase the power recovered by the turbine. Because of complex physics, due to the passage of the blades downstream of the turbine in the wake generated by the blades upstream, the pitch law offering the best performance is not obvious to determine. Experimental and numerical studies have been carried out but have not led to an optimal pitch law. At the numerical level, the modeling of the performance of vertical axis turbines remains complex. Data from the literature indicate that the model offering the best results is the Reynolds averaged Navier-Stokes equation (RANS) solving model combined with its turbulence model k-omega SST.This thesis deals with an experimental optimization of an azimuthal position-dependent stall law of a vertical axis turbine and its numerical modeling. This study is divided into five parts. A first one including the state of the art on vertical axis turbines. A second one on the physics of these turbines. A third deals with the experimental device used. The fourth part deals with the 2D numerical study. The last part presents the results obtained experimentally and numerically. Through this study, it has been shown that at low Reynolds number and low tip speed ratio, when the flow at the blades is stalled, the k-omega SST model does not allow to obtain results similar to those obtained experimentally. A new convergence criterion in spatial and temporal discretization has been proposed. At the level of the optimal pitch law obtained experimentally, the results are very encouraging. Indeed, it has been shown that subjecting a vertical axis turbine to a judicious pitch law could improve its performance by 15 points. Laws have been established to greatly improve performance. However, they are not universal and each experience proposes its own law.
Abstract FR:
Il est aujourd'hui urgent de prendre en considération le changement climatique et de limiter le réchauffement du globe. Les turbines à axe vertical, de type éolien ou hydrolien, offrent une opportunité de diversification du mix énergétique. Malgré un rendement plus faible que sa cousine à axe horizontal et une difficulté à démarrer seule, la turbine à axe vertical offre des avantages comme une plus faible dépendance de la qualité de l'écoulement et une maintenance plus facile. Elle peut donc être utilisée comme éolienne, notamment en milieu urbain pour décentraliser la production d'énergie, ou comme hydrolienne marine ou fluviale. Une solution pour remédier au déficit de performance des turbines à axe vertical est l'implémentation d'un angle de calage visant à modifier l'angle d'incidence des pales dans l'écoulement et ainsi, augmenter la puissance récupérée par la turbine. A cause d'une physique complexe, due au passage des pales en aval de la turbine dans le sillage généré par les pales en amont, la loi de calage offrant les meilleures performances n'est pas évidente à déterminer. Des études expérimentales et numériques ont été menées mais n'ont pas permis d'obtenir une loi de calage optimale utilisable pour toutes les turbines. Au niveau numérique, la modélisation des performances des turbines à axe vertical reste complexe. Les données de la littérature indiquent que le modèle offrant les meilleurs résultats est le modèle de résolution des équations de Navier-Stokes moyennées au sens de Reynolds (RANS) conjugué avec son modèle de turbulence k-omega SST. Cette thèse porte sur une optimisation expérimentale d'une loi de calage, fonction de la position azimutale, d'une turbine à axe vertical ainsi que de sa modélisation numérique. Cette étude se divise en cinq parties. Une première comporte l'état de l'art sur les turbines à axe vertical, une seconde sur la physique de ces turbines, une troisième traite du dispositif expérimental utilisé. La quatrième partie porte sur l'étude numérique bidimensionnelle (2D) et la dernière partie présente la comparaison des résultats obtenus expérimentalement et numériquement. A travers cette étude, il a été mis en évidence qu'à faible nombre de Reynolds et faible vitesse réduite donc lorsque l'écoulement au niveau des pales se décroche, le modèle RANS k-omega SST ne permet pas d'obtenir des résultats similaires à ceux obtenus expérimentalement. Un nouveau critère de convergence en discrétisation spatiale et temporelle a été proposé. Au niveau de la loi de calage optimale, obtenue expérimentalement, les résultats sont très encourageants. En effet, il a été montré que soumettre une turbine à axe vertical à une loi de calage judicieuse a pu améliorer ses performances de 15 points. Des lois ont été établies permettant d'améliorer largement les performances. Elles n'ont cependant pas de caractère universel et chaque expérience propose sa propre loi.