ETUDE EXPERIMENTALE D'UNE EOLIENNE SAVONIUS EN SOUFFLERIE ATMOSPHERIQUE

Introduction

Dans le souci de mener une étude complète d'une éolienne, nous avons choisi d'étudier ses performances par le biais d'essais en soufflerie. Nous nous sommes appuyés pour cela sur la soufflerie S1 de l'IMFT en privilégiant les axes de recherche suivants:

Les objectifs de départ étant présentés, nous allons maintenant développer la démarche qui a été la nôtre, les problèmes rencontrés, les solutions envisagées, et pour finir, les résultats obtenus.


Résumé

Cette étude a pour but de déterminer le profil des vitesses à l'aval d'une éolienne de type Savonius. Les mesures  ont été réalisées dans une soufflerie atmosphérique à un Reynolds de 5 E +05 par anémométrie  à fil chaud et par PIV (Vélocimétrie par images de particules). Le fil chaud nous a permis une étude grossière du sillage moyennée dans le temps, tandis que la PIV a été appliquée à une zone plus restreinte de l'écoulement aval de façon instantanée, et en fonction de l'incidence de l'éolienne.

Mots clé


Abstract

This study's goals are to determine drag's velocity profile after a Savonius rotor. Measurements have been done in an atmospherical wind tunnel at the Reynolds number of 5 E +05, by hot wire velocimetry and by PIV. The hot wire allowed us a first estimation of the velocity's profile, whereas the PIV has been used on a restricted flow's area to get instantaneous speed function of the flow's incidence.

Key words


Remerciements

Nous tenons ici à remercier toutes les personnes qui nous ont aidés pendant ces quatre mois de dur labeur, à commencer par Franck MORADEI, qui s'est occupé de toute la partie technique de A jusqu'à Z. Merci également à Emmanuel CID, Grégory DHOYE et Sébastien CAZIN sans qui l'installation, les acquisitions et le traitement de données n'auraient pu être faits.

Enfin, merci à messieurs CHASSAING, BOISSON, KOURTA, SEVRAIN pour leur soutien, et à Gilles HARRAN pour son aide dans la gestion du projet.

Dispositif expérimental


 
Présentation de la Savonius

Cette éolienne à axe vertical est constituée de deux demi-cylindres imbriqués l'un dans l'autre et décalés d'une distance e.

Elle est couplée à une génératrice de courant continu reliée elle-même à un banc de charge.


 

Présentation de la soufflerie


Génaralités

La soufflerie S1 de l'I.M.F.T est du type EIFFEL à veine libre. Elle a été construite en 1938 et rénovée en 1992. Ses principales caractéristiques sont les suivantes :

Cette soufflerie est située à l'intérieur d'un hall fermé, de surface au sol de 900 m² et de 18 m de haut.


Circuit aérodynamique

Le collecteur de la veine, de section circulaire progressivement décroissante, a un diamètre d'entrée de 6,50 m et un diamètre de sortie de 2,40 m. Sa longueur est de 5 m. Il est réalisé en tôle d'acier de 3 mm d'épaisseur. Le coefficient de contraction, défini sur les sections, est de 7,34. La section d'entrée comprend un cloisonnage en nid d'abeille destiné à régulariser les filets fluides. Le diffuseur aval se compose d'une partie tronconique de 11,50 m de long et de diamètre d'entrée de 2,70 m.


Veine d'essais

La veine d'essais est comprise entre la section de sortie du collecteur amont et la section d'entrée du diffuseur aval. Sa longueur utile est de 1,90 m. La régulation de vitesse est effectuée avec une tolérance de ±0,5% de la valeur affichée. Le niveau de turbulence, défini par la valeur du nombre de REYNOLDS critique pour la sphère (Cx=0,3), est de 300 000. Cela correspond à une intensité turbulente de l'ordre de 0,1%.


Limitation particulière de la soufflerie

La plage de variation de vitesse de vent dans la veine est de 1 m/s à 40 m/s. Pour des vitesses comprises entre 1 et 4 m/s, il faut disposer dans le collecteur amont une grille de tranquillisation.


Groupe moto ventilateur

Le ventilateur est constitué d'une hélice de 4,20 m de diamètre comprenant 6 pales en alliage de magnésium. Il est calé en bout d'arbre sur un moteur d'une puissance de 85 CV. Il est alimenté par un groupe WARD LEONARD, muni d'une régulation électronique permettant de régler la vitesse. La source électrique moyenne tension (13 500 V) est localisée dans le hall de la soufflerie.


Chambre d'expérience

La chambre d'expériences (partie en dépression en cours d'essais) se distribue sur 3 niveaux


 
Moyens de mesure

L'étude expérimentale a été envisagée sous les différents angles suivants:

Déroulement des essais

Nous avons débuté par l'anémométrie par fil chaud. Le but de ces mesures était d'avoir une première idée de la nature de l'écoulement en aval de la Savonius. Nous avons obtenu un premier quadrillage assez grossier de la zone, qui était conforme à ce que nous attendions et nous permettant de déterminer les zones à raffiner.

Après ces premières séances, la soufflerie a connu une grave avarie qui a coûté la vie à notre prototype. Nous avons alors du faire face au double problème de la réparation de la soufflerie, et du remplacement de la voilure.

Le second problème a pu être rapidement résolu en raison de la forme simple de la voilure, tandis que la soufflerie est restée indisponible pendant 8 semaines, soit la moitié du temps imparti pour le projet !

Autant dire que le programme prévu au départ n'a pu être suivi, en particulier les mesures liées au rendements.

Caractérisation de l'écoulement: Le fil chaud


 
Nature de l'écoulement

Nous nous sommes placés à la vitesse de l'écoulement amont de la forme (U;0;0) de 7,5 m/s (mesurée au Pitot), ce qui conduit à un Reynolds Re=5 E+05. En un point du sillage, on observe donc d'importantes fluctuations temporelles des vitesses dues à la fois au caractère turbulent de l'écoulement, et à la rotation des pales.

Pour simplifier la mise en place des mesures, nous avons supposé l'écoulement bidimensionnel. Nous nous sommes appuyés pour cela sur trois hypothèses:

On en déduit la forme du champ de vitesse: U(x,y), V(x,y), W=0

Les mesures restreintes au plan médian de la Savonius ont été conduites par anémométrie fil chaud, ce qui est bien adapté aux écoulements rapidement fluctuants. Nous nous sommes focalisés sur l'étude du champ moyen, les fluctuations de vitesse liées à la turbulence n'ayant pas d'interêts immédiats. Donc les mesures ont été moyennées dans le temps. On perd ainsi l'information liée aux fluctuations de vitesses au passage de la pale, mais ceci permet une bonne estimation du profil moyen.

Cependant, la sonde utilisée, composée d'un fil simple cylindrique placé orthogonalement à la direction X, n'a permis de mesurer que la vitesse longitudinale U(x,y). Nous verrons ultérieurement les erreurs liées à cette restriction.

La vitesse de rotation de l'éolienne mesurée par stroboscopie valant environ 220tr/min, on en déduit la vitesse circonférencielle R*Omega=6,9m/s, soit un tip speed ratio TSR=0,92.


 

Mode opératoire

Nous avons initialisé les mesures fil chaud par l'étalonnage de la sonde. C'est une opération longue et délicate, étant donnée la fragilité du fil. Cet étalonnage est nécessaire pour expliciter les coefficients de la loi de King (A,B, n) entre la tension aux bornes du fil (E)et la vitesse de l'écoulement (U):

E²=A*Un+B

En inversant l'équation par la méthode numérique des bissectrices, on trouve:

On peut visualiser ci-dessus l'allure de E=f(U) donnée par les mesures faites au Pitot, puis la loi donnée grâce aux coefficients de la loi de King. Aux valeurs de la vitesse considérée (7 à 8 m/s), l'erreur relative n'excède pas les 6 %. Nous avons su nous contenter de cette précision étant donné le but de ces mesures qui était de donner une forme du profil des vitesses.

L'étalonnage de la sonde effectué, il nous a été possible de faire une première saisie de mesures. En tenant compte de la bidimensionnalité de l'écoulement, nous avons mesuré la vitesse de l'écoulement selon le maillage suivant:

Les mesures ont été effectuées à chaque noeud du maillage ci-dessus.


 

Résultats

En nous plaçant à x=0,3m, nous avons obtenu le profil des vitesses longitudinales moyennes suivant

Cette première étude transversale U(y) , à x fixé réalisée, il est intéressant de passer maintenant à une étude longitudinale basée sur le maillage présenté auparavant:


 
Conclusion

L'étude précédente premet de dégrossir la forme de l'écoulement de façon satisfaisante. Cependant, on peut remarquer plusieurs insuffisances:

Mais c'est alors que nous étions bien rodés sur le protocole expérimental que la soufflerie a connu son avarie. Lorsque nous avons pu l'utiliser à nouveau, le matériel nécessaire à la PIV que nous avions réservé était disponible.

Etude fine d'une zone de l'écoulement: la PIV


 
Interêts

Même si le choix de passer à la PIV pénalisait l'exhaustivité de la vélocimétrie fil chaud, il nous a paru important de l'appliquer, à la fois pour profiter de cette rare opportunité, mais aussi parce qu'elle permettait de palier trois des quatre insuffisances de notre étude au fil chaud, en plus des avantages liés à cette méthode si pointue:


 
Installation expérimentale

Quelques notions sur la Vélocimétrie par Images de Particules:

La PIV repose sur un suivi de particules dans un écoulement. On ensemence donc l'écoulement, que l'on éclaire dans un plan à l'aide d'un laser bi-pulsé très brièvement à deux instants très proches séparés de dt. Une caméra prend les deux photos successives correspondant aux deux tirs laser. On obtient donc deux photos sur lesquelles les particules se sont déplacées d'une distance infinitésimale (dx;dy). Par traitement informatique, on en déduit les vitesses instantannées U(x,y)=dx/dt et V(x,y)=dy/dt.


L'installation utilisée pour la Savonius:


Caractéristiques du laser:


Caractéristiques de la caméra CCD:


Description de PIVIS, le logiciel de calcul des champs par P.I.V.

La majorité des algorithmes de calcul, utilisés par ce logiciel ont été développés et validés par Stéphane Maurel dans le cadre de sa thèse de doctorat dans le groupe E.E.C de l'IMFT. La finalisation du logiciel et la réalisation d'une interface conviviale ont été effectuées en septembre 2000 par un étudiant en stage à l'I.M.F.T., Florent GARDELLE [9], encadré par Emmanuel CID, ingénieur d'étude au service Signaux et Images du laboratoire. En effet, les logiciels disponibles dans le commerce présentent plusieurs inconvénients pour leur utilisation dans le cadre d'un laboratoire de recherche. Ils fonctionnent notamment en "boîtes noires", ne permettant aucune adaptation ou amélioration par les utilisateurs. Le principal problème reste leur précision insuffisante en regard des impératifs liés à la recherche. Il s'avère ainsi que PIVIS est particulièrement performant de ce point de vue.

PIVIS, programmé en C++, se base sur un algoritme d'intercorrélation par FFT (transformée de FOURIER). Il a été introduit un décalage de maille de l'odre du sous-pixel, ce qui permet une précision inférieure au pixel dans le calcul de l'interpolation.

Tous les calculs ont été effectués avec les paramètres suivant:

Cela permet d'obtenir une précision maximale des résultats.


Réglages

La PIV est une méthode extrêmement pointue, coûteuse, et même dangeureuse: la puissance des tirs laser implique des consignes de sécurité précises, l'installation coûte environ 100 000 Francs, et les réglages ont été assurés par le personnel de l'IMFT.

Qu'il nous soit donc permis ici encore de remercier Emmanuel CID le pro du tir Laser, Sébastien CAZIN, l'as de la photo et Gregory DHOYE, qui nous ont tous sacrifié beaucoup de leur temps.

Dans un souci de simplicité nous ne ferons qu'évoquer rapidement les réglages, qui sont nombreux, difficiles, longs, et qui représentent les 3/4 du travail sur une PIV. Pour plus de précision, nous vous invitons à consulter [8]:

La saisie se fait numériquement sur un PC, et les calculs sont effectués par le logiciel PIVIS.


Nature de l'écoulement

Les essais se sont déroulés à des vitesses de l'ordre de 8,5 m/s. Cette vitesse nous était imposée par la fréquence du laser. En effet, nous avons calé la fréquence de rotation de l'éolienne en fonction de celle du laser pour augmenter la probabilité de prise d'images. La nature de l'écoulement est donc proche de celle étudiée au fil chaud et détaillée dans la partie correspondante.


 

Résultats

Visualisation de quelques écoulements

Voici ce que l'on obtient par PIV en aval de l'éolienne. Les champs de vecteurs suivant ont été réalisés avec différents objectifs:


La zone de l'écoulement photographiée est longue de 26 cm sur 16 de largeur, et située à 35 cm du centre de l'éolienne. Le codeur angulaire nous permet de prendre des photos pour la même incidence de l'éolienne, à différents instants. Cependant, le temps d'intégration de la caméra CDD ne nous permet pas de prendre plusieurs photos correspondant à des doublets d'images très rapprochés dans le temps, et donc à des positions angulaires successives.

Pour un recouvrement de 0,5 et à incidence de 90°, on obtient le champs de vitesse suivant, traité sous Matlab pour obtenir une échelle de vitesse:

La figure ci-dessous montre le champ obtenu à partir de la même image, mais avec un recouvrement de 0,75.

L'image est un peu moins lisible sous format html, mais la précision s'en trouve grandement améliorée.


L'interêt d'utiliser une focale plus petite est de couvrir une zone de l'écoulement plus importante: 49 x 23 cm, centrée sur l'axe de la Savonius, mais à 40 cm de son axe. Les résultats obtenus pour cet objectif sont assez médiocres car la taille des particules devient trop petite, la mise au point sur la nappe quasi-impossible, et le temps inter-image mal qualibré.

Cependant, il permet d'observer qualitativement la structure de l'écoulement:


Etude angulaire

Nous allons maintenant tenter dans cette partie d'analyser la forme de l'écoulement en fonction de la position angulaire. Le traitement des champs a été compété par un affichage sous Matlab pour permettre de donner une échelle de vitesse.

Visualisation

On peut noter les points suivants:


Reproductibilité

Considérons maintenant les champs obtenus pour une position angulaire inchangée:

Visualisation

Ces champs ne sont pas superposables. L'expérience confirme donc la non reproductibilité du phénomène associé aux lâchers tourbillonnaires à l'aval de la Savonius .


Comparaison avec les résultats des simulations numériques

La non reproductibilité de l'écoulement évoquée ci-dessus rend la validation de la simulation numérique difficile [2]. A titre d'exemple, nous avons malgré tout les champs obtenus par PIV et simulation numérique qui se rapprochent le plus:

Visualisation et commentaires


 

Conclusion

Le manque de temps nous a été fatal pour conduire plus loin les travaux liés à la PIV, c'est pourquoi la qualité des résultats s'en ressent: la PIV est une technique de haute précision qui nécessite une bonne préparation, de la rigueur et de l'application.

Cependant, elle donne des résultats cohérents, et pourra donc être de nouveau appliquée pour des études dans la soufflerie de l'IMFT.

Commentaires

Nous l'avons vu, l'étude d'une Savonius est un problème complexe: l'écoulement est turbulent, instationnaire, non uniforme, à forte vorticité. Dès lors, une étude exhaustive est irréalisable en si peu de temps. Il nous a donc fallu choisir des axes d'étude. En fait de choix, ceux-ci ont été imposés par le matériel que nous avions à notre disposition, c'est-à-dire la Savonius grandeur nature, la soufflerie atmosphérique, le fil chaud et la PIV. Le profil des vitesses dans le sillage a donc naturellement été notre axe de recherche.

Ceci étant dit, la bibliographie fait état d'études supplémentaires intéressantes, mais qui nécessitent une ou plusieurs modification de l'installation:

De telles installations seraient intéressantes pour compléter les résultats déjà obtenus.

Conclusion

La partie expérimentale de ce projet n'a pu être menée comme prévu en raison des aléas opératoires. Cependant, les résultats obtenus restent valides et complètent les études déjà faites dans ce domaine.

De plus, cette étude nous a permis de mener une série d'expériences à long terme, ou de nous familiariser avec des techniques pointues, qui pour nous étaient nouvelles. C'était également pour nous l'occasion de gérer un planning serré sur plusieurs mois, tout en assurant une bonne coordination entre les 3 groupes d'étude, ainsi qu'avec les étudiants du département électrotechnique de l'ENSEEIHT qui s'occupaient de la génératrice de courant couplée à la voilure.

Enfin, cc projet a également été l'occasion de travailler en collaboration avec un industriel, Ecotools, et de profiter de toute la structure, le savoir faire et la logistique de l'IMFT.



Bibliographie

[1] N. Fujisawa, F. Gotoh 1992 ; Visualization study of the flow in and around a Savonius rotor. Experiments in Fluids 12 pp 407~412

[2] M.A. Kotb, T.K. Aldoss 1991 ; Flowfield around a partially-blocked Savonius rotor. Applied Energy 38 pp 117~132

[3] N. Fujisawa, K. Ishimatsu, K. Kage 1995 ; A comparative study of Navier-Stokes calculations and experiments for the Savonius Rotor. Journal of Solar Energy Engineering 117 pp 344~346

[4] D. Benghrib, A. Ahram, L. Bchir 1998 ; Description de l'alternance des tourbillons d'un rotor Savonius par visuatisation en tunel hydrodynamique. Compte Rendu de l'Académie des Sciences, Tome 326, Série II, pp 495~500

[5] N. Fujisawa 1995 ; Velocity measurements and numerical calculations of flow fields in and around Savonius rotors. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 59 pp 39~50

[6] V.J. Modi, M.S.U.K Fernando 1989 ; On the Performance of the Savonius Wind Turbine. Journal of Solar Energy Engineering 111 pp 71~81

[7] JNA. Galvada, J. Massons, F. Diaz 1990 ; Experimental study of a self-adapting Darrieus-Savonius wind machine. Solar and Wind Technology Vol 7,4 pp 457~461

[8] http://www.onera.fr/daap/piv

[9] F. Gardelle, 2000 ; Manuel d'utilisation de PIVIS. IMFT Service Signaux et Images