Eolienne à voilure améliorée Effets concentrateurs


ETUDES NUMERIQUES

LE CODE DE CALCUL STARCD ET LES PARAMETRES DE SIMULATION
 


Deux études numériques ont été réalisées :

Les simulations 2D (plus exactement : 3D avec une maille de profonfeur) ont été réalisées grâce au code de calcul StarCD, solveur 3D des équations de Navier-Stokes.

 

MAILLAGES ET CONDITIONS LIMITES

Le choix est fait de réaliser les études en 2D (éolienne "vue du dessus"), les maillages 3D ont donc une maille de profondeur. Ce choix revient à négliger les effets de bord, ce qui est réaliste si l'éolienne est assez haute. On applique alors des conditions limites de symétrie sur les faces +z et -z, pour rendre compte de l'invariance selon l'axe vertical.

La méthode de maillage utilisée est dite multigrille : cela consiste à diviser le domaine  en pseudo-rectangles (définis par 4 coins + 4 segments de courbe reliant les points), puis à définir le nombre de points à répartir sur la largeur et la longueur de chaque pseudo-rectangle. StarCD maille les zones aini définies par la commande patch.  Le maillage est afiné aux endroits où on attend les plus fort gradients.

Les maillages comportent une partie tournante (disque comprenant les pâles de l'éolienne) et une partie fixe (la boite extérieure) et des conditions aux limites de type attach sont définies aux jonctions des parties mobiles et fixes.

On notera que toutes les parties solides du maillage (éolienne, déflecteurs, murs) sont modélisées par des baffles (mur d'épaisseur infiniment mince) contrairement à ce qui a été fait lors des projets précédents où l'éolienne était modélisée par des murs de faibles épaisseurs.

La condition limite sur le côté de la boite où arrive l'écoulement d'air est une condition inlet tandis que les autres côté de la boîte ont des conditions de pression.
 

PARAMETRES DE SIMULATION

Le code de calcul StarCD résoud les équations de type RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) par la la méthode des volumes finis en ce qui concerne la discrétisation spatiale, et avec un schéma implicite pour ce qui est de la discrétisation temporelle.

Les modèles de turbulence proposés ensuite par ce code de calcul sont du type , et de nombreuses variantes sont alors accessibles (ReNormalisation Group, High Reynolds, etc.). Plusieurs pas de temps et modèles de turbulence seront testés.
 

POST-PROCESSING

Les simulations nous permettent de visualiser les profils de vitesse, de pression au cours du temps. Il est aussi possible d'obtenir les efforts de pression sur les pâles ce qui nous permet grâce à un programme en langage fortran de calculer le couple moyen C transmis par le vent à l'éolienne puis le coefficient de puissance Cp. On réalise ainsi plusieurs simulations pour tracer la courbe de rendement (coefficient de puissance en fonction de de la vitesse réduite).
On peut également visualiser d'autres paramètres tels que l'épaisseur de couche limite y+ ou encore la viscosité turbulente.
 

LIMITATIONS

Les limites de ces études numériques sont liées à :

- calcul 2D donc effets de bord négligés (circulation de l'air autour de l'éolienne faussée)
- frottements mécaniques non modélisés
- justesse du schema de discétisation et des modèles de turbulence.
- coefficient de frottement qui est constant dans StarCD, alors que dans la réalité il diminue progressivement quand la vitesse de rotation augmente.