Étude des effets tridimensionnels à bas

Tel que présenté à la section précédente, le point de meilleur rendement de la turbine se situe approximativement à un 𝜆 de 3. En dessous de cette vitesse de rotation, l’efficacité se voit réduite. En effet, la cause de cette diminution vient du décrochage aérodynamique que subissent les pales en raison des grands angles d’attaque vues par ces dernières. La section 2.2.7 a présenté en détail ce phénomène de décrochage, de même que son effet sur l’efficacité de la turbine pour des simulations réalisées en 2D. Ces mêmes effets sont encore présents en 3D, mais de nouveaux phénomènes attribuables à la tridimensionnalité du problème viennent alors s’y additionner. Tout d’abord, il a été observé en 2D que les pales flexibles influençaient énormément l’intensité et la formation des tourbillons éjectés dans la section amont du cycle 𝜃 ∈ [110° à 220°]. En effet, comme la pale tend à s’aligner avec l’écoulement, le tourbillon éjecté est alors de magnitude moindre qu’il ne le serait avec une pale rigide. De plus, une fois le tourbillon éjecté, ce dernier vient interagir avec la pale lors de son passage près du bord de fuite flexible. Il en résulte donc une déformation qui engendre une légère impulsion de la pale ce qui est favorable pour l’extraction d’énergie. Les mêmes constats peuvent encore une fois être observés en 3D. Pour ce faire, un graphique de 𝐶_𝑃 en fonction de la position angulaire de la pale est utilisé et illustré à la Figure 54.

Figure 54: Coefficient de puissance en fonction de la position angulaire pour une pale 3D rigide et une pale avec le bord de fuite flexible à 𝜆 = 2.

Sur cette figure, il est possible de constater que la magnitude du pic de 𝐶_𝑃 vers 90° se trouve diminuée alors que la plage couverte par ce dernier se trouve à être augmentée. Ce comportement très similaire à ce qui est observé en 2D est attribuable à l’alignement de la pale avec l’écoulement. Ainsi, comme l’angle d’attaque perçu par la pale se trouve réduit, il en résulte alors un couple moins important d’où la diminution du maxima du pic. Cependant, comme le décrochage induit est de moins grande amplitude la reprise est

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alors plus rapide, ce qui entraîne l’augmentation de la plage observée. Ainsi, même si le maxima est réduit pour la pale flexible, l’efficacité de cette dernière se trouve à être augmentée dans son ensemble passant de 26.6% à 27.9%. D’un autre côté, il est difficile, voire impossible, d’observer l’interaction qu’a le tourbillon avec la pale dans cette figure, comme il est observé en 2D. La raison est que la valeur de 𝐶𝑃 obtenu sur la

figure précédente est le résultat de l’addition de tout ce qui se passe sur l’envergure de la pale pour une même position angulaire donnée. Ainsi, les effets locaux le long de la pale sont difficilement identifiables. Pour mieux visualiser ce qui se passe sur l’envergure de la pale et ainsi observer des phénomènes locaux, trois figures ont été réalisées en différentes positions angulaires d’intérêts. Ces dernières sont identifiées sur la Figure 54. Premièrement, la Figure 55 présente la contribution du 𝐶𝑃 sur l’envergure de la pale à une

position 𝜃 = 90°.

Figure 55: Distribution du coefficient de puissance sur l’envergure de la pale à la section (a) identifiée dans la Figure 54 à 𝜃 = 90°.

Tel qu’attendu, cette figure permet de bien visualiser la tridimensionnalité du problème. Les effets de bout d’aile typique des pales 3D apparaissent nettement dans cette figure en 𝑧/𝑏 = ±0.5. Il est ainsi possible de constater la perte en efficacité reliée à ces effets de bout de pale. De plus, l’effet décrit plus tôt de l’alignement de la pale flexible avec l’écoulement apparaît bien dans la portion centrale de la pale. En effet, il est possible d’observer des efficacités moindres pour la pale flexible en comparaison avec la pale rigide. Il est également possible de constater que cette tendance tend à s’inverser vers les bouts de pale en raison de l’impact de la flexibilité sur les tourbillons qui y sont générés. Cette inversion d’efficacité est davantage décrite dans la section 3.6. Pour analyser ce qui se passe lors du décrochage en 3D, une représentation similaire à la figure précédente a été réalisée à la Figure 56 pour 𝜃 = 130°.

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Figure 56: Distribution du coefficient de puissance sur l’envergure de la pale à la section (b) identifiée dans la Figure 54 à 𝜃 = 130°.

Sur cette figure, il est possible de constater que la pale rigide décroche en raison des angles d’attaque effectifs trop importants vus par cette dernière. D’un autre côté, la pale flexible demeure toujours attachée, car l’angle d’attaque effectif n’a pas encore dépassé l’angle critique. Pour observer le début du décrochage de la pale flexible, il est possible de se déplacer à 𝜃 = 140°.

Figure 57: Distribution du coefficient de puissance sur l’envergure de la pale à la section (c) identifiée dans la Figure 54 à 𝜃 = 140°.

La Figure 57 est intéressante du fait qu’elle permet à la fois d’illustrer le début du décrochage de la pale flexible, mais aussi le déplacement du décrochage de la pale rigide sur son envergure. En effet, en regardant la valeur de 𝐶_𝑃′ de la pale rigide, il est possible d’observer que le décrochage de la pale débute environ à

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𝑧/𝑏 = 0 en 𝜃 = 130° et qu’il se propage juste à environ 𝑧/𝑏 = ±0.25 à 𝜃 = 140°. Ainsi, comme il y a une propagation du décrochage le long de l’envergure, l’observation de l’interaction du tourbillon avec le bord de fuite flexible est alors plus difficile qu’en 2D, car il ne s’agit alors plus d’un phénomène instantané, mais bien d’un phénomène continu. Ainsi pour visualiser ce phénomène d’interaction, des courbes de 𝐶_𝑃′

sont produites à différentes positions sur l’envergure et présentées à la Figure 58.

Figure 58: Coefficient de puissance en fonction de la position angulaire de la pale pour différentes positions 𝑧/𝑏. Les paramètres de cette configuration sont Σ = 10, 𝛿∗_{= 15 et 𝜆 = 2.}

L’effet du passage des tourbillons sur le bord de fuite s’y fait alors sentir. Il apparaît notamment que l’interaction de ces derniers avec le bord de fuite survient à une position 𝜃 d’environ 190° comme en 2D. Cependant, bien que l’effet semble être le même qu’en 2D, sa contribution est beaucoup moins importante. La raison est que la déformation en 3D est influencée par ce qui se passe de part et d’autre de la pale. Ainsi, comme l’éjection du tourbillon ne se fait pas au même instant partout sur la pale, il en résulte donc un effet de retenu de la part des sections qui ne sont pas encore emportées par le tourbillon. Pour visualiser cet effet de retenue et d’entraînement, une séquence d’image de déformation du bord de fuite est réalisée à la Figure 59. Sur ces dernières, il est possible d’observer la déformation produite lors du décrochage de la pale caractérisée par un renflement supérieur débutant au centre de la pale (𝑧/𝑏 = 0) et qui se propage ensuite latéralement. L’effet tridimensionnel de la déformation se trouve alors à être bien illustré ici. La deuxième séquence d’images de la Figure 60 illustre quant à elle la déformation induite par le passage du

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tourbillon. Cette dernière se caractérise, quant à elle, par un renflement inférieur débutant encore une fois au centre de la pale et qui se propage par la suite.

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