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Figure 1: Prototype de turbine issue du brevet dépose par G.
Darrieus
ÉTUDE EXPÉRIMENTALE D'UNE TURBINE DARRIEUS À FLUX CONFINÉ 17èmes JOURNEES DE L’HYDRODYNAMIQUE JH2020
L. Kara Mostefa L. Chatellier L. Thomas
Institut PPRIME, UPR3346, CNRS – Université de Poitiers – ISAE-ENSMA, France
* mohamed.larbi.kara.mostefa@univ-poitiers.fr Résumé
De multiples solutions sont proposées pour la valorisation énergétique des courants marins dans la perspective d'une électricité propre et abondante et de l'indépendance énergétique, autant de raisons qui ont conduit à des recherches approfondies sur le développement des énergies renouvelables. L'objectif de cet article est de comprendre et de modéliser les interactions fluide- structure auxquelles sont soumises les pales d’une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus.
L'étude concerne la caractérisation expérimentale conjointe de l'écoulement traversant la turbine et le comportement dynamique des pales mobiles dans cet écoulement.
Introduction
Les énergies marines renouvelables (EMR) suscitent un intérêt croissant dans la communauté scientifique, industrielle et politique. Une grande variété de technologies est étudiée dans ce secteur, avec des degrés de maturité variables. Nos travaux se concentrent sur les turbines hydrauliques dont la technologie est proche du stade industriel. Dans cette étude, nous utilisons une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus en H, avec quatre pales rigides mai tenues par des brides circulaires de part et d'autre du rotor.
Le premier exemple de turbine à axe vertical se trouve dans le brevet de George Darrieus déposé dans les années 1930 en France et aux États-Unis.
A ce jour, seules quelques études ont été consacrées à l'étude du décrochage dynamique des turbines Darrieus. Laneville et Vittecoq, (1986) ont présenté des mesures de cycles d'hystérésis de traînée / portance exercés sur les pales d'une turbine Darrieus bipale pour des valeurs du paramètre d'avance
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variant de 2 à 5. Brochier et al. (1986) ont réalisé des visualisations d'écoulement par injection de colorant autour de deux pales d’une turbine Darrieus d'un profil aérodynamique symétrique NACA0018.
Fujisawa et Shibuya, (2001) ont réalisé les premières mesures de PIV sur une turbine Darrieus mono- pale avec un profil NACA0018 pour un faible nombre de Reynolds (𝑅𝑒= 3∙ 103), et aussi en régime légèrement turbulent. Ferreira et al, (2008) ont étudié l'évolution des tourbillons dynamiques de décrochage par des mesures PIV en soufflerie sur une turbine mono-pale avec des profils NACA0015 pour des valeurs du paramètre d'avance variant de 2 à 4 et un nombre de Reynolds (𝑅𝑒= 7∙ 104).
Le présent article se concentre sur des études expérimentales sur une turbine Darrieus dans des conditions de fonctionnement réalistes. Le modèle de turbine est de diamètre D = 400 mm et une hauteur H = 400 mm, muni de quatre pales droites. Les pales sont basées sur une section NACA0015 de 400 mm d'envergure et de corde de 80 mm. Chacune des pales est fixée en son ¼ de corde. Le rotor est entraîné en rotation par un servomoteur et équipé de capteurs de couple et de position angulaire.
La position angulaire est définie sur la figure 2, dans laquelle θ décrit la position azimutale d'une pale individuelle par rapport à l'axe transversal et décrit la vitesse angulaire de la turbine.
Dans une première partie, nous avons identifié les différents modes de fonctionnement de la turbine en canal hydraulique à surface libre à l'aide de mesures de couple. Les résultats sont mis en évidence pour plusieurs régimes et paramètres d’immersion et de vitesse spécifique.
La deuxième partie présente les résultats de mesures PIV obtenus pour trois vitesses spécifiques λ
=U𝑅 𝑉⁄ réparties autour du point de fonctionnement optimal de la machine.
1. Dispositifs expérimental
Cette section décrit l'installation expérimentale et les dispositifs utilisés lors des différents tests. La définition des grandeurs utilisées ultérieurement pour l'analyse des résultats est également introduite.
1.1. Le canal hydrodynamique
Figure 2: Illustration du positionnement angulaire des pales θ et de la vitesse angulaire de la turbine
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Des études expérimentales sur le prototype de turbine Darrieus sont menées dans le canal de surface libre de la plate-forme d'hydrodynamique environnementale de l'Institut PPRIME, dont une photographie est présentée sur la figure 3. La section utile du canal mesure 15 mètres de long sur 1 mètre large et 1 mètre de profondeur. Un débit maximal t Q = 500 (l /s) est assuré par deux pompes centrifuges.
1.2. Caractéristiques de la turbine
Les différentes expériences et résultats présentés dans cet article sont réalisés sur un modèle de turbine Darrieus équipé de pales rigides en résine époxide chargée en poudre de silice coulées autour d'un axe en acier inoxydable de 7 mm de diamètre centré au ¼ de corde. Les pales sont fixées sur deux flasques horizontaux supérieur et inférieur. (Figure 4).
2. Technique de mesure et résultats 2.1 Mesures de couple
Le rotor est entraîné par un servomoteur, équipé d'un capteur de couple et d'un index de position angulaire. À faible nombre de Reynolds, nous avons effectué des mesures de couple pour caractériser les différents régimes de fonctionnement de la turbine. Dans un premier temps, nous avons fait varier la hauteur d'eau de h = 0,55 m à 0,75m et réglé la vitesse d'écoulement à V = 0,66 m / s, afin d'identifier la sensibilité de la turbine à son niveau d'immersion. Les résultats de couple sont indiqués sur la figure 5 (a) ci-dessous. Comme on peut le voir dans notre cas, la hauteur d'eau a peu d'influence sur le fonctionnement de la turbine et les valeurs de COP sont relativement proches (COP = P / (0,5 ∙ ∙ A ∙ 𝑉3)), tout en étant limitée à 12 %. Ensuite, nous avons fixé la hauteur d'eau h = 0,588m et avons fait varier la vitesse d'écoulement de 0,66 m/s à 0,85 m/s. La figure 5 (b) montre les résultats obtenus dans ces conditions, qui indiquent qu’une vitesse minimale de l’ordre de 0.8m/s est nécessaire pour atteindre un rendement de l’ordre de 20 %. Les trois types de régimes de fonctionnement typiques des turbines Darrieus sont observés. Une première zone à faible vitesse spécifique, où les pales sont soumises à des décrochages intenses dus à un angle d'attaque élevé. Les caractéristiques du décrochage dynamique
Figure 3 : Canal à surface libre de la Plateforme d’Hydrodynamique Environnementale de l’Institut
PPRIME
Figure 4 : Prototype de la turbine Darrieus
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résultant seront décrites dans la section sur les Résultats PIV. Il est à noter que la turbine passe d'un régime neutre ou résistif à un régime productif autour de la vitesse spécifique de l'unité. Pour la vitesse spécifique la plus élevée, les performances de la turbine sont limitées en raison de la traînée des différents composants de la machine et de la diminution de la portance due à la plage d'angles d'attaque limitée.
La zone intermédiaire est une zone de transition qui présente un équilibre entre les effets dynamiques et visqueux. C'est dans cette zone que les meilleures performances sont obtenues pour les turbines Darrieus.
Pour notre cas la vitesse amont optimale à V = 0,85 m/s, (𝑅𝑝𝑎𝑙𝑒 = 1,5 ∙105), pour une vitesse spécifique λ = 2,15 et un nombre de Froude 𝐹𝑟𝐼𝐼 = 0,36.
2.2 Mesures PIV
Les mesures PIV sont effectuées dans le plan médian du rotor à l'aide d'un laser YAG à double cavité QuantelEverGren, 200 mJ. Le faisceau laser est découpé en deux tranches horizontales sur une table optique pour limiter le masquage de la zone de mesure lors du passage des pales (figure 6). Les images sont enregistrées à l'aide de deux caméras CCD LaVison Imager Pro X 4MP à travers deux miroirs à 45°
positionnés sous le canal. Les mesures PIV sont synchronisée avec le capteur de position angulaire pour que les champs de vitesse successifs correspondent à des positions azimuthale réparties tous les 15 °, garantissant ainsi une couverture complète du cycle de rotation de la turbine.
Figure 5: Mesures de couple
(a) (b)
5 θ=15°
θ=75°
Les mesures PIV sont effectuées à la vitesse amont optimale V = 0,85 m /s pour des vitesses spécifiques λ = 1 ; 2,15 et 3. L'analyse des champs de vorticité dérivée des résultats PIV permet de caractériser l'influence du décrochage dynamique sur le rendement de la turbine, ainsi que les effets associés aux interactions pale-vortex qui se produisent dans la partie aval du rotor. Les résultats présentés sur les figures 7 à 9 correspondent à des champs de vitesse et de vorticité moyennés en phase pour les deux vitesses spécifiques sélectionnées. Sur la figure 7, pour λ = 1, les conditions de fonctionnement de la turbine se situent dans la zone de décrochage dynamique, caractérisée par d'intenses dégagements de vortex de LEV "Leading Edge Vortex" et TEV "Trailing Edge Vortex" qui influence directement les performances de la turbine en créant une dépression dans l'extrados qui augmente considérablement la portance. Cependant, en contrepartie, le décrochage dynamique augmente également les efforts de traînée et les pales sont soumises à une variation importante des efforts pouvant conduire à la fatigue et à l'usure des équipements.
Figure 7: Champs en moyennes de phase de vitesse et de vorticité pourλ =1
Les résultats illustrés sur la figure 8 à λ = 2,15 correspondent à la zone optimale et sont en accord étroit avec les mesures expérimentales précédentes et la littérature concernant le décrochage dynamique (Fer- reira et al. 2008; McCroskey, 1981;Lee et Gerontakos, 2008). Dans le premier tiers de la rotation (θ = 0
° à 120 °), l’écoulement reste entièrement attaché à la pale. On note également la présence du sillage des deux pales précédentes.
A partir du deuxième tiers de rotation, le flux subit une séparation caractérisée par une zone de recirculation. Ensuite, le vortex de décrochage dynamique commence à se former à l'arrière du profil, avec un tourbillon de vorticité positive. Les deux vortex se développent ensemble et le vortex de décrochage dynamique se détache au tiers de la rotation sous l'influence du vortex contrarotatif. Ensuite, ces deux tourbillons sont libérés dans le sillage de la pale, suivant de près la trajectoire de la pale et induisant une interaction pale / vortex avec la pale suivante. Enfin, après que ces vortex ont été libérés, l’écoulementredevient attaché.
Figure 6: Particle Image Velocimetry apparatus and setup
θ=45°
θ=90°
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θ=45°
θ=75° θ=90°
θ=15° θ=45°
θ=75° θ=90°
Figure 8: Champs en moyennes de phase de vitesse et de vorticité pour λ =2.15
La figure 9 montre le champ de tourbillon à λ = 3, aucun signe de vortex de décrochage dynamique n'est observé sur la pale. Cependant, des niveaux élevés de vorticité sont contenus dans le sillage de la pale peu avant le demi-cycle, conduisant à des interactions pale-sillage et à des dégagements de tourbillon dans le sillage du rotor.
θ=15°
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Figure 9: Champs en moyennes de phase de vitesse et de vorticité pourλ =3
Conclusion
Une étude expérimentale a été menée sur un prototype de turbine Darrieus en canal à surface libre à partire de mesures de rendement et de vitesses par PIV
Les résultats montrent une concordance très satisfaisante entre les mesures expérimentales et la littérature concernant le décrochage dynamique (Bossard et al, 2006). Les différentes expériences réalisées sur le modèle de turbine ont permis de caractériser différents régimes de fonctionnement à l'aide de mesures de couple et également d'identifier les interactions structure pale-vortex à partir des mesures PIV.
Des commentaires spécifiques aux différents paramètres avancés ont été formulés :
• Les paramètres d'avance les plus élevés (λ = 3), pour lesquels l'incidence sur la pale est la plus faible, ne subissent aucun décollement et le flux reste bien attaché au profil.
• Pour les paramètres d'avance les plus faibles (λ = 1), la pale est soumise à d’intenses décrochage tourbillonnaires en raison des incidences élevées et résultant en une efficacité réduite
• Un paramètre d'avance optimal a été identifié pour λ = 2,15, correspondant à un régime de transition dans lequel le décrochage dynamique contribue aux forces hydrodynamiques propulsives agissant sur les pales sans dégrader le fonctionnement de la turbine.
Ce travail se prolongera par l’étude de la dynamique des lâchers tourbillonaires et de leurs interactions avec les pales. Un nouveau modèle de turbine équipé de pales rigides ou déformable déformables à bout libre est également en préparation afin de caractériser la réponse des pales aux efforts hydrodynamiques fluctuants et l’influence de leur flexibilité sur le rendement de la turbine.
8 Références
[1] DARRIEUS, G. Brevet Français. 604.390, 9 Octobre 1925.
[2] DARRIEUS, G. Turbine having its rotating shaft transverse to the flow of the current. 1,835,018, 8 December 1931.
[3] Ferreira, C.J.S., Kuik, G.V., van Bussel, G.V. & Scarano, F., Visualization by PIV of dynamic stall on a vertical axis wind turbine, Experiments in Fluids 46:97–108, 2009
[4] BROCHIER, G., FRAUNIÉ, P., BÉGUIERT, C. et PARASCHIVOIU, I. (1986), "Water Channel Experiments of Dynamic Stall on Darrieus Wind Turbine Blades", Journal of Propulsion 2, pp.445-449.
[5] J. Bossard. These 07.08.2006 Caractérisation expérimentale du décrochage dynamique dans les hydroliennes a flux transverse par la method PIV (Particle Image Velocimetry)-Comparison avec les résultats issus des simulation numériques.
[6] MCCROSKEY, W. (1981), "The Phenomenon of Dynamic Stall", NASA TechnicalMemorandum 81264.
[7] LEE, T., GERONTAKOS, P. (2008), "Investigation of flow over an oscillating airfoil", Journalof Fluid Mechanics 512, pp.313-341.
[8] J.M.R. Gorle, Development of Circulation Controlled Blade Pitching Laws for Low-Velocity Darrieus Turbine , PhD Thesis, ISAE-ENSMA, 2015
[9] Fujisawa & Shibuya, Observations of dynamic stall on Darrieus wind turbine blades, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89(2):201–214, 2001
