4.2 Comparaison aux résultats expérimentaux IFREMER
4.2.3 Comparaisons expérimental/numérique des performances glo-
Nous commençons la validation du code avec une comparaison expérimental/numérique des performances de l’hydrolienne. Il s’agit de voir si les modèles d’hydrolienne sont correctement calibrés par la boucle de calcul des coefficients hydrodynamiques pré-sentée dans la section 3. Pour ce faire, nous regardons l’évolution des coefficients de performance globaux CT et CP des modèles obtenus en sortie de FAST en fonction du Tip Speed Ratio (TSR). Cette évolution permet de caractériser le comportement mécanique de nos modèles d’hydrolienne sur une plage de fonctionnement donnée. Un série de calculs a été réalisée avec FAST de manière à couvrir une plage de T SR ∈[0; 8]. Les résultats obtenus sont présentés et comparés avec ceux du cas de référence ci-après. Le profil NACA 63-418 décrit dans [1] est en premier lieu carac-térisé au moyen de l’outil d’analyse et de conception de profils portants XFOIL du MIT. Cela permet d’obtenir les coefficients hydrodynamiques du profil en fonction de son angle d’incidence par rapport à l’écoulement amont. Ces coefficients sont ensuite utilisés en entrée de FAST de manière à caractériser l’hydrolienne dans son ensemble à travers une description par élément de pale. L’outil permet de considé-rer les caractéristiques précises du profil des pales suivant leur envergure (rapports corde/rayon, épaisseur/corde, ainsi que l’angle de pitch des pales). Pour plus de pré-cisions, nous renvoyons le lecteur à la section 3.1 qui décrit la procédure utilisée pour réaliser ces calculs. Il est à noter que les données expérimentales de CT et CP dont nous disposons ont été mesurées pour les taux d’intensité de turbulence ambiants de 3% et 15%. Cependant, d’après [1], l’intensité de turbulence du courant ambiant ne semble pas impacter de manière significative la valeur moyenne des coefficients de
Figure 4.9 – Schéma des différentes formes de moyeu (a : cas de référence, b : moyeu cylindre plat, c : moyeu sphérique, d : moyeu cylindre long).
performance. Le calibrage de nos modèles d’hydrolienne a donc été réalisé pour un courant uniforme non turbulent de 0.8 m.s−1, qui correspond à la valeur moyenne de l’écoulement imposé lors des expérimentations. Les coefficients de performance globaux CT et CP numériques associés sont donc également estimés pour un cou-rant uniforme non turbulent de 0.8 m.s−1. Enfin, les estimations des coefficients de performance globaux CT et CP ne prennent pas en compte le moyeu dans le cas des modèles. Les données expérimentales utilisées pour la comparaison sont celles mesurées pour le taux d’intensité de turbulence ambiant de 3%.
4.2.3.1 Coefficient de puissance
Le coefficient de puissance CP peut être défini comme le rapport entre la puis-sance qui est réellement extraite et la puispuis-sance maximale disponible contenue dans le courant passant par la surface balayée par les pales de l’hydrolienne :
CP = 1 P
2ρSU∞3
avec P la puissance extraite, ρ la masse volumique du fluide, S la surface balayée par les pales et U∞ la vitesse de l’écoulement amont non perturbé.
Le tracé de cette quantité en fonction du Tip Speed Ratio (TSR) montre la capacité de l’hydrolienne à extraire l’énergie en fonction de ses conditions de fonc-tionnement. Il permet donc de définir une plage de fonctionnement sur laquelle les performances de l’hydrolienne sont les meilleures en terme de production énergé-tique. La figure 4.10 permet de comparer le CP obtenu numériquement pour nos modèles et ceux obtenus à partir des mesures faites sur l’hydrolienne pendant les essais. Le comportement de notre modèle est globalement équivalent à celui de la machine réelle et un bon accord est observé pour les T SR ∈ [0; 4]. Cependant, nous notons une légère sous-estimation de ses performances pour les hauts T SR ∈ [4; 8]. Il est difficile d’expliquer les raisons exactes de cette différence car le code (FAST) uti-lisé pour caractériser les performances de notre modèle d’hydrolienne repose sur une théorie simplifiée qui ne permet pas de caractériser de manière précise l’écoulement autour des pales et ne permet donc pas d’analyse précise. Nous pouvons cependant fournir une piste de réflexion. Effet, ce décalage entre le CP obtenu numériquement et celui obtenu par la mesure expérimentale pourrait éventuellement être expliqué par les effets centrifuges subis par les pales lors des essais expérimentaux, et qui ne sont pas pris en compte dans notre méthode. Il pourrait également provenir d’un phénomène de torsion de pale qui viendrait modifier localement les angles d’attaque et donc venir modifier les performances des pales. Enfin, cela pourrait également être dû à une mauvaise prédiction de la distribution de pression par le modèle. Pour comprendre d’où vient ce décalage, une étude CFD complémentaire sera nécessaire, de manière à comprendre le comportement hydrodynamique précis des pales utilisées pour les hauts TSR.
Figure 4.10 – Comparaison expérience/simulation du coefficient de puissance CP
4.2.3.2 Coefficient de poussée
Le coefficient de poussée CT peut être défini comme le rapport entre la force axiale Fx qui impacte l’hydrolienne et l’énergie cinétique contenue dans le courant qui passe à travers la surface balayée par les pales de l’hydrolienne :
CT = Fx 1
2ρSU∞2
. (4.3)
De la même manière que la figure 4.10 avec le coefficient CP, la figure 4.11 présente une comparaison des CT obtenus numériquement sur notre modèle avec ceux ob-tenus à partir des mesures expérimentales. Pour les TSR bas, nous observons une légère sous-estimation du coefficient de poussée. Il est également difficile d’expliquer précisément d’où vient cette différence mais nous pouvons donner quelques pistes de réflexion qu’il conviendrait d’explorer a posteriori. Cette différence pourrait provenir d’une mauvaise prise en compte de la géométrie de l’hydrolienne. Par exemple, elle pourrait s’expliquer par le fait que les forces axiales agissant sur le moyeu et le mât ne sont pas prises en compte dans le calcul numérique des CT, alors que cela est pris en compte dans l’expérience. La non prise en compte de la forme des pieds de pales pourrait également agir sur le calcul numérique des CT. Une autre piste à explorer serait la non prise en compte des effets visqueux sur les pales qui peuvent impacter les distributions de pression à bas TSR. En revanche, le comportement des modèles semble se rapprocher de celui observé lors des essais expérimentaux à mesure que le TSR augmente. Un bon accord est observé pour les T SR ∈ [5; 8].
Figure 4.11 – Comparaison expérience/simulation du coefficient de poussée CT en fonction du TSR.
Dans le reste de l’étude les résultats sont présentés pour le point de fonction-nement de l’hydrolienne à T SR = 3, 67, qui correspond au point utilisé dans [1].
Pour ce point de fonctionnement, les performances du modèle sont proches de celles observées en expérimental (≈ 1.2% d’erreur absolue pour CP et ≈ 9.5% pour CT).