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Thèse Année : 2016

CFD Methodology for Wind Turbines Fluid-Structure Interaction

Métholodogie CFD pour la modélisation de l'interaction fluide-structure des éoliennes

Sergio González Horcas
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1012977

Résumé

Horizontal axis wind turbines are one of the most efficient renewable energy sources. In order to extract the maximum power per machine and reduce the overall energy extraction cost, there is a clear design trend consisting in the up-scaling of the rotor diameter. This implies the consideration of more flexible blades, that significantly deform during operation due to the aerodynamic loading. This thesis proposes an innovative computational approach for the study of this aeroelastic problem that accounts for the interaction of both the fluid and the structure physics. The PhD work tackles two major issues concerning efficient fluid-structure interaction simulations of large horizontal axis wind turbines. One concerning the development of a mesh deformation technology achieving a good trade-off between mesh quality, scalability, robustness and computational cost for 3D flow meshes accounting multi-million points. Another concerning the extension of a frequency domain methodology, namely the nonlinear harmonic method, to handle the 2-way coupling between a fluid in motion and a deformable elastic structure for steady and periodic unsteady aeroelastic interaction. The resulting methodology allows to assess the rotor performance with progressive degrees of model complexity. Both isolated rotor and full machine (i.e. including the tower) calculations can be performed. Fluid modeling relies in a steady or unsteady formulation respectively. For both configurations, a structural model of the blades can be considered in order to assess the influence of aeroelasticity in the rotor performance. The suggested approach was implemented and tested within the FINE™/Turbo software, edited by NUMECA International. It offers a higher fidelity multiphysics flow modeling than current industry standards, and its reduced computational cost enables its direct introduction into the wind energy market.
Les éoliennes à axe horizontal sont une des sources d'énergie renouvelables les plus efficaces. Afin de réduire le coût global d'extraction d'énergie, il y a une tendance claire qui consiste en augmenter le diamètre du rotor. Cela implique la prise en compte de pales plus souples, qui se déforment de manière significative pendant le fonctionnement (en raison de la charge aérodynamique). Cette thèse propose une approche innovante de calcul pour l'étude de ce problème aéroélastique, qui tient compte à la fois du fluide et de la physique de la structure. Le travail de thèse aborde deux questions majeures concernant les simulations d'interaction fluide-structure des grandes éoliennes à axe horizontal. L'une concerne le développement d'une technologie de déformation du maillage. Une autre concerne l'extension d'une méthodologie dans le domaine fréquentiel (la méthode harmonique non linéaire), pour gérer le couplage bidirectionnel entre un fluide en mouvement et une structure élastique déformable. La méthodologie résultante. qui permet d'évaluer la performance du rotor avec différents degrés de complexité. a été mis en œuvre et testé dans le logiciel FINE™/Turbo (édité par NUMECA International). Elle offre une modélisation multiphysique avec une fidélité plus élevée que le standard de l'industrie, tout en gardant un coût de calcul réduit.
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Commentaire : Ready-to-print version of the thesis, also accounting for the official cover and back cover of the University of Mons.
Commentaire : Copy of the presentation used for the PhD public defense.
Commentaire : Version of the thesis content, to be used as a digital support. It also accounts for an interactive index.

Dates et versions

tel-01562675 , version 1 (01-08-2017)

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Copyright (Tous droits réservés)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01562675 , version 1

Citer

Sergio González Horcas. CFD Methodology for Wind Turbines Fluid-Structure Interaction. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université de Mons (UMONS), 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01562675⟩
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