Development of actuator surface model to impove the representation of aerodynamic forces on a wind turbine blade
Développement d'un modèle de surface active pour améliorer la représentation des charges aérodynamiques sur une pale éolienne
Résumé
This research work is aimed to improve the actuator surface modeling in order to better represent the flow around the wind turbine rotor. A comprehensive study on development of wake region of the airfoil and the wind turbine rotor has been carried out using the proposed hybrid model. This model presents a coupling between the blade element method and the Navier-Stokes solver, using an iterative computation. In the Navier-Stokes solver, aerodynamic forces applied on the flow by a blade are imposed on the surface, which represents the blade. In the existing actuator surface model, aerodynamic forces are principally represented by the normal force of the airfoil, distributed as a pressure discontinuity on the surface. In this PhD thesis, in order to improve the reproducing of aerodynamic behavior of airfoil, in addition to pressure discontinuity, the tangential forces are imposed as 'source terms' in vicinity of the actuator surface. Firstly, the proposed method is validated in the case of flow around airfoil. The flow field resulted from CFD calculation of real geometry is compared with flow field obtained using different hybrid methods and this comparison shows a good agreement. The comparison with existing hybrid methods shows that the proposed approach represents better the flow field around the airfoil and permits to extend the model application to important angles of attack. Furthermore, using the proposed method, the near wake development downstream horizontal axis wind turbine model is also studied. The obtained results are compared with experimental measurements carried out in wind tunnel facilities of 'Arts et Métiers ParisTech'. In this study, the flow field downstream the wind turbine rotor is obtained by means of Particle Image Velocimetry (PIV). The comparison between numerical and experimental results shows good agreement and validity of the proposed hybrid method.
Ces travaux de recherche visent à améliorer la modélisation par surface active afin de mieux représenter l'écoulement autour d'un rotor éolien. Une étude approfondie du développement du sillage à l'aval du profil de pale et du rotor éolien est réalisée en utilisant le modèle hybride proposé. Le modèle de surface active présente un couplage entre la méthode de l'élément de pale et un solveur de Navier-Stokes, faisant appel à un calcul itératif. Dans le solveur de Navier-Stokes les forces aérodynamiques appliquées par la pale en réaction à l'écoulement sont imposées sur la surface dite 'surface active' Dans la version initiale du modèle de surface active, les forces sont principalement représentées par la force normale au profil ; force répartie comme une discontinuité de pression sur la surface. Dans cette thèse, afin d'améliorer la reproduction du comportement aérodynamique, en plus de la discontinuité de pression, les forces tangentielles sont imposées comme des termes sources au voisinage de la surface active. Dans un premier temps, la méthode proposée est validée dans le cas de l'écoulement autour d'un profil éolien. Ainsi, le champ d'écoulement calculé par la méthode proposée est comparé avec la modélisation CFD utilisant la géométrie réelle du profil et cette comparaison montre un bon accord. La comparaison avec d'autres méthodes hybrides existantes est faite et montre que l'approche proposée représente mieux le champ d'écoulement autour du profil même aux angles d'incidence importants. Ensuite, la méthode proposée est utilisée pour étudier le développement du sillage proche d'une éolienne à axe horizontal. Les résultats de calcul sont comparés aux résultats d'essais effectués dans la soufflerie d'Arts et Métiers ParisTech. Dans ces expériences, le champ d'écoulement en aval du rotor éolien est mesuré en utilisant la vélocimétrie par images des particules (PIV). La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux montre un bon accord qui confirme la validité de la méthode proposé.