Etude paramétrique et analyse physique d'une hydrolienne à flux transverse bi-axiale à l'aide de simulations numériques sous OpenFOAM - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Optimisation of a new cross-flow water turbine concept using OpenFOAM software

Etude paramétrique et analyse physique d'une hydrolienne à flux transverse bi-axiale à l'aide de simulations numériques sous OpenFOAM

Résumé

A bi-axial cross-flow water turbine is studied by numerical simulation. The particularity of this turbine is that it has two axes of rotation and a "chain/pulley" system that allows an innovative kinematics. Indeed, the blades are driven in translation perpendicular to the flow during a part of their cycle. During these translations, the angle of attack formed between the blade and the relative speed of the flow tends to be constant, which is a desired characteristic but difficult to obtain for conventional cross-flow turbines, such as Darrieus. This innovation in the kinematics could allow to reach or even exceed the best efficiency of cross-flow turbines.The numerical simulation process is detailed. The flow is modeled by the incompressible 2D URANS equations with a k-omega SST turbulence model. The discretization and resolution are performed by the OpenFOAM v2012 finite volume solver. Due to the complexity of the blade kinematics, the dynamic overset meshing method is used. A new algorithm for updating the mesh between each time step is developed and allows to improve the speed of simulations. The process is validated by comparisons with experimental results and numerical simulations using a sliding mesh on pitching wing and Darrieus turbine configurations.A study of the influence of the non-dimensional parameters characterizing the bi-axial turbine is performed using numerical simulation. For this purpose, the calculation of the turbine efficiency is established from a sum of the external mechanical actions on the blade. This makes it possible to distinguish the notions of instantaneous hydraulic power received by the blade and the power transmitted by the blade to the turbine, which are not identical in the particular case of the bi-axial turbine. The effect of Reynolds number, tip-speed ratio, solidity, chord to pulley radius ratio and turbine aspect ratio are studied.Finally, the effects of flow curvature on a cross-flow turbine blade are analyzed and quantitatively evaluated. These effects occur when the streamlines in the blade reference frame are not straight but curved. The aerodynamic coefficients acting on the blade are then different from those that would be obtained in a straight flow. To evaluate these effects, it is necessary to know an estimate of the evolution of the angle of attack and the relative speed seen by the blade during a cycle. Different calculation methods from numerical simulation results are compared. Curvature effects are then highlighted in the case of the bi-axial turbine. To quantify them, a conformal transformation allowing to straighten the streamlines is proposed. This transformation deforms the blade into a "virtual blade" which has a virtual camber and an additional virtual angle of attack compared to the "real blade" before transformation. The influence of dimensionless parameters on these virtual quantities is studied. The expression of the conformal transformation is also used to establish the link between the pressure coefficient profiles of the virtual and real blades. In the case of the Darrieus turbine, the torque coefficient obtained by numerical simulation of the turbine is compared to the torque recalculated from static polars with and without taking into account the curvature effects. It appears that when unsteady effects and boundary layer separation are limited, taking into account the curvature effects allows to understand the evolution of the torque coefficient.
Une turbine hydrolienne bi-axiale à flux transverse est étudiée par simulation numérique. La particularité de cette hydrolienne est de posséder deux axes de rotation et un système « chaîne/poulies » permettant une cinématique innovante. En effet, les pales sont entraînées en translation perpendiculairement à l'écoulement durant une partie de leur cycle. Durant ces translations, l'angle d'incidence formé entre la pale et la vitesse relative de l'écoulement tend à être constant, ce qui est une caractéristique recherchée mais difficile à obtenir pour les turbines classiques à flux transverse, de type Darrieus par exemple. Cette innovation dans la cinématique pourrait permettre d'atteindre voir de dépasser les meilleurs rendements des turbines à flux transverse.Le procédé de simulation numérique est détaillé. L'écoulement est modélisé par les équations URANS 2D incompressibles avec un modèle de turbulence k-omega SST. La discrétisation et la résolution sont assurées par le solveur de volumes finis OpenFOAM v2012. Étant donné la complexité de la cinématique des pales, la méthode de maillage dynamique overset est utilisée. Un nouvel algorithme de mise à jour du maillage entre chaque pas de temps est développé et permet d'améliorer la rapidité des simulations. La procédé est validé par des comparaisons à des résultats expérimentaux et des simulations numériques utilisant un maillage glissant sur des configurations d'aile oscillante et de turbine Darrieus.Une étude de l'influence des paramètres adimensionnels caractérisant la turbine bi-axiale est réalisée à l'aide de simulations numériques. A cette fin, le calcul du rendement de la turbine est établi à partir d'un bilan des actions mécaniques extérieures sur la pale. Cela permet notamment de distinguer les notions de puissance hydraulique instantanée reçue par la pale et de la puissance transmise par la pale à la turbine, qui ne sont pas identiques dans le cas particulier de la turbine bi-axiale. L'effet du nombre de Reynolds, de la vitesse spécifique, de la solidité, du ratio entre la corde et le rayon des poulie et du rapport d'aspect de la turbine sont étudiés.Enfin, les effets de courbure de l'écoulement sur une pale de turbine à flux transverse sont analysés et évalués quantitativement. Ces effets se manifestent lorsque les lignes de courant dans le référentiel de la pale ne sont pas rectilignes mais courbées. Les coefficients aérodynamiques qui agissent sur la pale sont alors différents de ceux qui seraient obtenus dans un écoulement rectiligne. Pour évaluer ces effets, il est nécessaire de connaître une estimation de l'évolution de l'angle d'incidence et de la vitesse relative vus par la pale au cours d'un cycle. Différentes méthodes de calcul à partir de résultats de simulations numériques sont comparées. Les effets de courbure sont ensuite mis en évidence dans le cas de la turbine bi-axiale. Pour les quantifier, une transformation conforme permettant de redresser les lignes de courant est proposée. Cette transformation déforme la pale en une « pale virtuelle » qui possède une cambrure virtuelle et un angle d'incidence virtuel supplémentaire par rapport à la « pale réelle » avant transformation. L'influence des paramètres adimensionnels sur ces quantités virtuelles est étudiée. L'expression de la transformation conforme permet également d'établir le lien entre les profils de coefficient de pression des pales virtuelles et réelles. Dans la cas de la turbine Darrieus, le coefficient de couple obtenue par simulation numérique de la turbine est comparé au couple recalculé à partir de polaires statiques avec et sans prise en compte des effets de courbure. Il apparaît que lorsque les effets instationnaires et le décollement de la couche limite sont limités, la prise en compte des effets de courbure permet de comprendre l'évolution du coefficient de couple.
Fichier principal
Vignette du fichier
CLEMENCOT_2023_archivage.pdf (26.91 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04099182 , version 1 (16-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04099182 , version 1

Citer

Quentin Clemençot. Etude paramétrique et analyse physique d'une hydrolienne à flux transverse bi-axiale à l'aide de simulations numériques sous OpenFOAM. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALI006⟩. ⟨tel-04099182⟩
149 Consultations
36 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More