Direct Numerical Simulation of Vertical-Axis Wind Turbine Near-Wake Dynamics

Cette étude utilise des simulations numériques directes résolues géométriquement pour révéler que l'augmentation du nombre de pales dans les éoliennes à axe vertical accélère la décomposition des tourbillons de décrochage dynamique par des interactions pale-tourbillon, provoquant une transition plus rapide de la proche veine vers une dynamique de corps émoussé et démontrant que le nombre de pales, plutôt que le rapport de vitesse en bout de pale, est le facteur principal régissant cette transition et les caractéristiques de l'écoulement en aval.

L'essentiel

Imaginez une éolienne à axe vertical (EAV) non pas comme une machine géante, mais comme une toupie en rotation se tenant debout dans une rivière d'air. Cet article est comme un film haute définition en ralenti qui zoome si près sur les pales que nous pouvons voir les « courants d'air » invisibles tourbillonnant autour d'elles. Les chercheurs ont utilisé un supercalculateur pour simuler exactement comment l'air se comporte juste derrière les pales en rotation, un endroit appelé la « proche-sillage ».

Voici l'histoire de ce qu'ils ont découvert, expliquée simplement :

La Grande Image : Pourquoi examiner la « Proche-Sillage » ?

La plupart des éoliennes tournent comme une hélice d'avion (à axe horizontal). Mais ces éoliennes verticales tournent comme un essoreuse à salade. Les chercheurs voulaient savoir : Que se passe-t-il pour l'air immédiatement après qu'il a passé les pales ?

Ils ont découvert que l'air ne s'écoule pas simplement de manière fluide derrière l'éolienne. Au contraire, il devient chaotique. Les pales hachent l'air, créant d'énormes tourbillons tourbillonnants appelés Tourbillons de Décrochage Dynamique (TDD). Imaginez-les comme d'énormes tourbillons invisibles qui sont soulevés par les pales et traînent derrière l'éolienne.

La Découverte Principale : Le « Nombre de Pales » Compte Plus que la Vitesse

L'équipe a testé des éoliennes avec une pale, deux pales et trois pales. Ils ont également modifié la vitesse de rotation des éoliennes.

Voici la surprise : Le nombre de pales de l'éolienne compte beaucoup plus que la vitesse à laquelle elle tourne.

• L'Éolienne à Une Pale (Le Soliste) :
  Imaginez un danseur solitaire tournant dans une pièce. Lorsqu'il tourne, il crée un seul tourbillon d'air géant et puissant derrière lui. Ce tourbillon géant (le TDD) reste fort et intact pendant longtemps. C'est comme un nuage lourd et lent qui met beaucoup de temps à se dissiper. Parce que ce nuage géant persiste, l'air derrière l'éolienne reste « désordonné » et chaotique sur une longue distance.

• L'Éolienne à Trois Pales (Le Trio) :
  Maintenant, imaginez trois danseurs tournant près les uns des autres. Alors qu'un danseur tourne, l'air qu'il vient de troubler (le tourbillon) est immédiatement heurté par le danseur suivant.
  Les chercheurs ont découvert un nouveau mécanisme qu'ils appellent « Impaction de Tourbillon ».

  • L'Analogie : Imaginez le tourbillon géant comme une bulle de savon. Sur l'éolienne à une pale, la bulle s'éloigne entière. Sur l'éolienne à trois pales, la pale suivante agit comme une épingle, faisant éclater la bulle prématurément.
  • Le Résultat : Le tourbillon géant et désordonné est pulvérisé en de minuscules bulles inoffensives (des tourbillons plus petits) avant de pouvoir voyager loin. L'air derrière l'éolienne à trois pales devient « calme » et ordonné beaucoup plus rapidement que la version à une pale.

L'Effet « Embouteillage »

L'article explique également qu'avoir plus de pales crée un peu d'« embouteillage » pour le vent.

• Avec plus de pales, il y a moins d'espace ouvert pour que le vent s'écoule à travers le centre de l'éolienne.
• Cela force le vent à passer autour de l'éolienne, comme l'eau qui s'écoule autour d'un rocher dans un ruisseau.
• Cela modifie le comportement du sillage. Au lieu d'être dominé par les énormes tourbillons en rotation (qui se produisent avec un faible nombre de pales), le sillage commence à se comporter comme le sillage derrière un simple rocher solide (un « corps émoussé »).
• Pourquoi c'est bon : Le sillage « rocheux » se rétablit (redevient de l'air lisse) beaucoup plus rapidement que le sillage « tourbillonnant ».

Le Test de « Similarité »

Les chercheurs voulaient savoir exactement quand l'air désordonné derrière l'éolienne redevient de l'air lisse et prévisible. Ils ont utilisé une astuce mathématique appelée « analyse de similarité ».

• L'Analogie : Imaginez essayer de prédire la forme d'une colonne de fumée. Au début, la fumée est un chaos désordonné de tourbillons. Mais éventuellement, elle se stabilise dans une forme de courbe en cloche prévisible.
• Ils ont découvert que les éoliennes à trois pales se stabilisent dans cette forme prévisible beaucoup plus tôt que les éoliennes à une pale. Le « désordre » disparaît plus vite.

Ce Que Cela Signifie pour l'Avenir (Selon l'Article)

L'article mentionne spécifiquement que ces découvertes sont importantes pour les parcs éoliens où les éoliennes sont placées très près les unes des autres.

• Si vous placez une deuxième éolienne juste derrière une première, l'air qu'elle « inhale » dépend fortement du nombre de pales de la première éolienne.
• Si la première éolienne a peu de pales, la deuxième éolienne est frappée par d'énormes tourbillons chaotiques.
• Si la première éolienne a beaucoup de pales, l'air a déjà « guéri » et est devenu plus lisse au moment où il atteint la deuxième éolienne.

En résumé : Cet article a utilisé une simulation informatique ultra-puissante pour montrer que l'ajout de plus de pales à une éolienne verticale agit comme un « briseur de tourbillon ». Il pulvérise les énormes tourbillons d'air désordonnés en de minuscules morceaux, permettant au vent de retrouver son écoulement lisse beaucoup plus rapidement. Cela est crucial pour concevoir des parcs éoliens où les éoliennes sont regroupées étroitement.

Résumé technique

Résumé technique : Simulation numérique directe de la dynamique de sillage proche d'une éolienne à axe vertical

Énoncé du problème
Alors que les éoliennes à axe horizontal (HAWT) dominent la recherche actuelle, les éoliennes à axe vertical (VAWT) offrent des avantages distincts pour les applications offshore, urbaines et isolées, notamment un centre de gravité plus bas et une insensibilité omnidirectionnelle. Un avantage théorique clé des VAWT réside dans leur potentiel de densités de puissance plus élevées dans des réseaux à espacement réduit, grâce à des régions de sillage plus courtes et à une récupération de sillage améliorée. Cependant, le sillage proche d'une VAWT est dominé par des caractéristiques d'écoulement complexes associées au décrochage dynamique, spécifiquement la formation et le détachement de tourbillons de décrochage dynamique (DSV) à grande échelle. Contrairement au sillage lointain, qui se comporte comme un sillage de corps non profilé, le sillage proche dépend fortement des paramètres géométriques et opérationnels tels que le rapport de vitesse en bout de pale ($\lambda$) et la solidité statique ($\sigma$). Les données expérimentales existantes manquent souvent de résolution près de la géométrie ou en trois dimensions, tandis que les simulations des grandes échelles (LES) haute fidélité couplées à la méthode de ligne d'actionneur (ALM) ne parviennent pas à résoudre géométriquement la couche limite de la pale. Par conséquent, l'ALM ne peut pas capturer la dynamique de la bulle de séparation laminaire (LSB), la formation précise du DSV, ni les interactions critiques pale-tourbillon (BVI) qui modulent ces caractéristiques.

Méthodologie
Pour remédier à ces limitations, les auteurs présentent des simulations numériques directes (DNS) géométriquement résolues de VAWT Darrieus à pales droites utilisant le cadre de la méthode spectrale/éléments hp, Nektar++. L'étude examine trois configurations de turbine à une, deux et trois pales (profils NACA 0018) sur une gamme de rapports de vitesse en bout de pale ($\lambda = 1.5, 2.5, 4.5$). Cet espace de paramètres correspond à des solidités statiques ($\sigma$) de 0,2, 0,4 et 0,6, et à une solidité dynamique ($\sigma_D$) variant de 0,47 à 0,94.

Les simulations utilisent une formulation de référentiel mobile (MRF) pour gérer la géométrie en rotation sans remaillage dynamique. L'écoulement est modélisé par les équations de Navier-Stokes incompressibles à un nombre de Reynolds basé sur la corde de $Re_c = 10^4$, une valeur choisie pour représenter les environnements urbains/extraterrestres et assurer la faisabilité numérique tout en maintenant la pertinence pour la physique fondamentale. La résolution du maillage satisfait aux exigences DNS ($\Delta y^+ \lesssim 1$) avec 32 plans de Fourier dans la direction de l'envergure. Une viscosité spectrale d'annulation (SVV) est appliquée pour la stabilité numérique dans les régions sous-résolues. La méthodologie est validée par rapport aux données expérimentales de Battisti et al., montrant un fort accord dans les profils de vitesse moyenne dans le temps selon la direction longitudinale aux emplacements du sillage proche.

Contributions et résultats clés

1. Résolution du décrochage dynamique et des BVI :
   La DNS capture avec succès le cycle complet du décrochage dynamique, incluant l'enroulement de la couche limite, la formation du DSV, la séparation et la convection. Une découverte novatrice est l'identification d'un mécanisme d'impact tourbillonnaire piloté par les BVI.

   • Configuration à une pale : Le DSV se forme, se détache et est convecté dans le sillage proche en tant que structure cohérente à grande échelle, provoquant une accélération significative de l'écoulement du côté sous le vent.
   • Configuration à deux pales : L'augmentation de la solidité réduit la convection du DSV, provoquant sa diffusion et sa décomposition en structures plus petites avant d'atteindre le sillage proche.
   • Configuration à trois pales : La réduction de l'espacement entre les pales introduit des BVI au début du passage amont. Ces interactions se produisent durant la phase précoce du décrochage dynamique (développement de la bulle de séparation laminaire), perturbant la LSB et réduisant la taille éventuelle du DSV. De plus, alors que la pale approche de la zone aval, l'impact direct de tourbillons provenant des sillages en amont provoque la désintégration prématurée du DSV en plusieurs noyaux distincts. Ce mécanisme accélère la transition de la dynamique tourbillonnaire cohérente vers la dynamique de corps non profilé.

2. Récupération du sillage et transition vers la dynamique de corps non profilé :
   L'étude quantifie l'évolution en aval du sillage. Une solidité plus élevée (plus de pales) entraîne des déficits de vitesse initiaux plus sévères mais initie la récupération plus tôt et plus rapidement.

   • Faible solidité ($N_{pales}=1$) : La récupération est régie par le mélange transverse induit par de grands DSV, conduisant à une récupération plus lente et à une asymétrie persistante du sillage.
   • Forte solidité ($N_{pales}=3$) : La décomposition des DSV pilotée par les BVI élimine les structures cohérentes qui distinguent le sillage VAWT d'un corps non profilé. Par conséquent, le sillage transitionne plus rapidement vers des mécanismes de récupération associés à la couche de cisaillement, qui sont intrinsèquement plus rapides.

3. Analyse de similitude :
   En étendant l'analyse de similitude au sillage proche (précédemment limitée au sillage lointain dans les études ALM), les auteurs quantifient le taux auquel le sillage perd sa dépendance aux structures cohérentes générées par les pales et s'effondre sur une solution gaussienne auto-similaire.

   • L'analyse révèle que le nombre de pales est plus influent que le rapport de vitesse en bout de pale pour déterminer le taux de cette transition.
   • Des nombres de pales plus élevés conduisent à un début plus rapide de la similitude. Fait intéressant, le taux de transition atteint un pic à $\lambda=2.5$ plutôt qu'au $\lambda$ le plus élevé, suggérant un effet de plateau au-delà d'une certaine solidité dynamique.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'approche DNS géométriquement résolue est essentielle pour identifier les mécanismes spécifiques par lesquels le nombre de pales influence l'aérodynamique des VAWT. La signification principale réside dans la découverte de la désintégration prématurée du DSV induite par les BVI, un mécanisme qui accélère la transition vers la dynamique de sillage de corps non profilé indépendamment des effets de blocage.

Les auteurs affirment que ces résultats ont des implications directes pour la conception de réseaux de turbines à espacement réduit et de configurations de paires couplées. Étant donné que l'écoulement incident rencontré par un rotor aval dépend fondamentalement du nombre de pales de la turbine en amont, les paires à faible nombre de pales rencontreront de grands DSV cohérents, tandis que les paires à nombre élevé de pales rencontreront un champ plus diffus et perturbé. L'article conclut que des DNS de configurations appariées sont justifiées pour comprendre pleinement comment ces conditions d'écoulement distinctes affectent les performances en aval, notant que la récupération de sillage plus rapide et le début plus précoce de la similitude aux solidités plus élevées pourraient permettre une modélisation analytique plus précise de tels réseaux à des distances en aval plus courtes.