Mesures au paramètre d’avance optimal λ =2

Les sillages obtenus pour le cas λ =2 sont tout d’abord présentés. Les différents plans PIV horizontaux mesurés sur toute la longueur du sillage permettent de caractériser l’écoulement en 3 dimensions derrière l’hydrolienne. Ce ne sera pas possible pour les cas λ =1 et λ =3 pour lesquels les mesures PIV n’ont été réalisées que dans le plan central. Les résultats sont présentés de la façon suivante:

• Une carte de vitesse moyenne Ux de l’écoulement à l’aval de la turbine est présentée

en Figure3.27pour le cas avec grille de turbulence régulière, dans le plan horizontal

d’altitude z=1 cm.

• Les profils verticaux de vitesse adimensionnée Ux/U_∞et d’énergie cinétique turbulente

k (TKE pour Turbulent Kinetic Energy) sont reconstruits à partir des valeurs mesurées pour chaque plan d’altitude z à la position y=0 cm, pour différentes positions à l’aval de la turbine en Figures3.28à3.30. La vitesse à l’amont U_∞est la vitesse du tunnel utilisée pendant la mesure.

• Les profils transverses (selon l’axe y) de vitesse adimensionnée U_x/U_∞de l’écoulement,

ainsi que les profils transverses de TKE sont présentés en Figures3.31à3.38, à différentes distances à l’aval de la turbine pour certains plans d’altitude comprise entre +21 cm et -19 cm. Les profils de TKE sont préférés aux profils d’intensité turbulente, puisque l’intensité turbulente atteint de très fortes valeurs dans les zones où la vitesse est proche de zéro, et semble moins représentative.

• Enfin un profil de l’intensité turbulente le long de l’axe x est présenté dans le cas avec grille régulière en Figure3.39, afin de visualiser la décroissance de l’intensité turbulente dans le sillage de la turbine.

La carte de vitesse moyenne axiale U_xest tout d’abord présentée en Figure 3.27pour le

cas avec grille de turbulence régulière, pour le plan d’altitude z=1 cm. Sur cette figure et sur les prochaines figures, la distance est adimensionnée par le diamètre D de la turbine. Cela permet de connaître la forme des profils à une distance comptée en nombre de diamètres de turbine. Nous pouvons visualiser sur cette figure les raccords entre les différentes positions PIV, pour lesquelles les mesures n’ont pas forcément été réalisées le même jour. Le sillage est visible et s’étend jusqu’à plus de 12 diamètres après la turbine. La zone bleutée comprise entre x=8D et x=10D correspond à la zone sans hublot latéral du tunnel, où aucune mesure n’a pu être réalisée. De manière qualitative, nous observons que le déficit est important dans la zone proche de la turbine (x<3D), puis le déficit de vitesse se résorbe assez rapidement grâce au mélange turbulent dans le fluide.

Figure 3.27 Carte de vitesse moyenne U_xdans le plan horizontal d’altitude z=1 cm pour λ = 2

Nous pouvons maintenant observer quantitativement les résultats sur les figures suivantes.

Nous observons sur la Figure3.28que le sillage n’est pas centré par rapport au plan de symétrie

z=0 cm de la turbine. Cela est valable quel que soit le cas de turbulence étudié. Le sillage possède un décalage de 3 cm environ vers le haut à 2D. Ce décalage vers le haut semble s’amplifier lorsque l’on s’éloigne encore de la turbine. Cela semble cohérent avec le fait qu’il existe une vitesse verticale résiduelle dans le tunnel due au convergent asymétrique, qui décale le sillage vers le haut. Cette vitesse n’a pas pu être mesurée tout au long du tunnel (les mesures PIV ne permettent pas d’accéder aux vitesses verticales). Une correction constante de toutes les courbes de -3 cm selon z est proposée faute de connaître cette vitesse. Les courbes de vitesse

adimensionnée dans le sillage avec cette correction sont proposées en Figure3.29. Mais même

avec cette correction, nous observons une dissymétrie entre le haut et le bas du sillage. Cela s’explique soit par le fait que le sillage se décale davantage vers le haut que vers le bas, soit parce que l’axe de la turbine est présent uniquement dans la moitié supérieure.

3.3 Résultats 97

Pour toutes les prochaines courbes, la correction de -3 cm selon z sera appliquée. Cela signifie que les résultats du plan de mesure d’altitude z=1 cm correspondraient à une mesure du sillage généré à z=-2 cm derrière la turbine s’il n’y avait pas de dérive verticale du sillage. Les résultats expérimentaux dans le plan z=1 cm seront donc comparés aux résultats numériques dans le plan z=-2 cm.

Concernant cette courbe des profils verticaux de vitesse dans le sillage, tous les cas de turbulence donnent sensiblement les mêmes résultats, avec un déficit de vitesse légèrement plus marqué à x=2D dans le cas sans grille. Le déficit de vitesse dans le sillage se résorbe approximativement à la même vitesse dans tous les cas. Le déficit de vitesse s’est déjà beaucoup résorbé à la distance de 8D à l’aval de la turbine, puisque nous mesurons la vitesse U_x/U_∞= 0, 75 dans la zone centrale du sillage. Pour le cas de la grille simple, le déficit s’étend plus loin vers le haut que pour les autres cas. Cela peut s’expliquer par la dérive vers le haut des sillages, qui est peut-être légèrement différente dans ce cas de turbulence, comme l’a déjà montré la Figure3.12. Il est possible aussi que le sillage généré soit légèrement différent dans ce cas, mais les incertitudes de mesures empêchent de tirer une conclusion.

Figure 3.28 Profils verticaux de vitesse adimensionnée Ux/U_∞en y=0 cm, à différentes distances derrière la turbine sans correction

Figure 3.29 Profils verticaux de vitesse adimensionnée Ux/U_∞en y=0 cm, à différentes distances derrière la turbine avec décalage de -3 cm selon z

Le profil vertical d’énergie cinétique turbulente k est ensuite tracé en tenant compte de la

correction de -3 cm selon z, en Figure3.30. Nous observons un profil relativement symétrique

atteints sont similaires dans tous les cas de turbulence. A l’altitude z=1 cm, nous notons en x=2D un pic de chaque côté du sillage, en z/H=0,5 et z/H=-0,5. Ces pics correspondent aux extrémités des pales de la turbine, où il y a détachement de tourbillons. Il y a une forte production de turbulence dans ces zones, qui est ensuite convectée dans le sillage.

Figure 3.30 Profils verticaux d’énergie cinétique turbulente k en y=0 cm, à différentes distances derrière la turbine avec décalage de -3 cm selon z

Les profils horizontaux de vitesse adimensionnée sont ensuite tracés à différentes hauteurs (non corrigées) à l’aval de la turbine. Comme pour les profils verticaux, nous observons que le sillage n’est pas symétrique par rapport à z=0. Par exemple, en comparant les Figures

3.31et3.35, nous observons en y/D=0 un déficit pour z=+21 cm, qui n’apparait pas pour z=

-19 cm. Ce déficit est sans doute créé par l’axe de la turbine, qui est présent dans la partie supérieure de la turbine (z>0) mais pas dans la partie inférieure (z<0). Les profils tracés à ces altitudes dans le cas de la grille fractale font aussi apparaître les sillages des barreaux de la grille, de manière similaire aux mesures réalisées sans turbine dans les parties précédentes. Sur

la Figure3.33dans le plan d’altitude z=1 cm, le déficit est une fois encore légèrement plus

grand dans le cas sans grille à x=2D par rapport aux autres cas de turbulence. Les déficits dans le sillage se résorbent approximativement à la même vitesse dans tous les cas. À la distance de 12D à l’aval de la turbine, la vitesse a déjà recouvré environ 84% de la vitesse amont (Ux/U_∞= 0, 84).

Figure 3.31 Profils transverses de vitesse adimensionnée Ux/U_∞, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=+21 cm

Les profils horizontaux d’énergie cinétique turbulente sont tracés aux hauteurs z=+13 cm,

3.3 Résultats 99

Figure 3.32 Profils transverses de vitesse adimensionnée U_x/U_∞, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=+13 cm

Figure 3.33 Profils transverses de vitesse adimensionnée Ux/U_∞, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=1 cm

Figure 3.34 Profils transverses de vitesse adimensionnée U_x/U_∞, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=-11 cm

Figure 3.35 Profils transverses de vitesse adimensionnée Ux/U_∞, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=-19 cm

de turbulence sont très similaires. Les valeurs atteintes aux distances entre 2D et 4D sont légèrement plus grandes pour le cas sans grille. La même analyse que pour les profils de vitesse s’applique. Pour l’altitude z=1 cm, nous notons en x=2D un pic de chaque côté du sillage, en y/D=0,5 et y/D=-0,5. Ces pics correspondent aux extrémités de la turbine. C’est dans cette zone que le cisaillement de vitesse est le plus important au niveau de la turbine, et c’est certainement la zone où il y a eu le plus de production de turbulence. Ces pics se retrouvent ensuite dans le sillage. Malheureusement nous ne disposons pas de mesures avant x=2D pour vérifier ceci, mais les simulations CFD réalisées par la suite pourront le vérifier.

Figure 3.36 Profils transverses d’énergie cinétique turbulente k, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=+13 cm

Figure 3.37 Profils transverses d’énergie cinétique turbulente k, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=1 cm

Figure 3.38 Profils transverses d’énergie cinétique turbulente k, à différentes distances derrière la turbine dans le plan d’altitude z=-11 cm

Le profil d’intensité turbulente le long de l’axe x est présenté en Figure3.39pour le cas

3.3 Résultats 101

est presque nulle dans cette zone. À la distance de 4D, l’intensité turbulente vaut 23 %. Elle diminue à 15 % à la distance de 6D, puis 10 % aux alentours de 8 à 10D. Sa décroissance est ensuite très faible plus loin dans le sillage.

Figure 3.39 Profil d’intensité turbulente dans le sillage le long de l’axe x, dans le cas de la grille régulière. Les zones grisées correspondent aux brides du tunnel et les mesures y sont erronées

En conclusion, aucune différence sensible n’a pu être observée dans le sillage entre les différents cas de turbulence étudiés. Ce constat est cohérent avec l’étude de Boudreau et

Dumas [100], qui montrent que le niveau de turbulence amont impacte moins le sillage des

turbines Darrieus que celui d’une turbine à axe horizontal. Les niveaux d’intensité turbulente étudiés sont cependant relativement proches (2,9 %, 5,5 % et 7,5 %). L’intensité turbulente n’a donc pas d’influence jusqu’à des niveaux de l’ordre de ceux mesurés par Togneri et al. sur le site

au large d’Anglesey [10]. Pour d’autres sites comme celui de l’EMEC où l’intensité turbulente

est plus proche de 15 % [9], il faudrait réaliser des mesures pour des niveaux plus élevés afin de voir si une différence est constatée. Ceci n’est malheureusement pas réalisable dans le tunnel du CERG si l’on souhaite avoir une turbulence relativement homogène au niveau de la turbine. Par ailleurs, les mesures de coefficient de puissance et traînée sont moins dépendantes de la vitesse amont et du nombre de Reynolds de la machine pour le cas avec grille régulière de

turbulence. Moins de fluctuations de mesures sont obtenues dans ce cas (voir les Parties3.3.1

et3.3.2). Il en va sans doute aussi de même avec les mesures PIV de sillage, c’est pourquoi les résultats de sillage expérimentaux seront toujours présentés dans le cas avec grille régulière de turbulence dans les prochains chapitres.