Simulation des phénomènes aéroélastiques des pales d'éoliennes

RÉSUMÉ: Ce projet porte sur l'étude des effets aéroélastiques sur les pales d'éoliennes. Les travaux ont porté sur l'étude analytique des phénomènes aéroélastiques pour mieux comprendre les conséquences intrinsèques de ces évènements, le choix d'un logiciel approprié pour simuler de la manière précise les interactions fluide-structure, la calibration du logiciel (le maillage, les modèles de turbulence, les modèles de transition, etc.) et la comparaison des résultats avec des données expérimentales disponibles, à des fins de validation. Une contribution originale porte sur la simplification du modèle très précis, basé sur des méthodes numériques d'analyse du couplage fluide-structure (volumes finis pour la partie fluide et éléments finis pour la partie structure) en un modèle concentré ("lumped") pour pelmettre le contrôle adaptatif de l'amortissement en temps réel dans l'optique de diminuer les effets aéroélastiques. L'étude des phénomènes aéroélastiques demande un couplage entre l'analyse de la structure de la pale et l'écoulement du fluide. Un couplage itératif utilisant les volumes finis pour la modélisation de l'écoulement et les éléments finis pour déterminer les déformations de la structure est très complexe et exigeant en temps calcul. De ce fait, il fut essentiel de choisir le logiciel ou les logiciels permettant de décrire ces phénomènes de manière efficace et intégrée. Dans un premier temps, une étude des nombreux logiciels fut faite sur des études de cas permettant d'évaluer la capacité à résoudre des problèmes d'ordre purement aérodynamique et aéroélastique. Suite à cette étude, nous avons conclu que l'utilisation du logiciel intégré ANSYS en couplant son module fluide CFX et son module structurel ANSYS serait la plus intéressante surtout en termes de précision. Afin de bien maîtriser ce logiciel très évolué, mais peu convivial pour calibrer les différents paramètres, nous avons simulé des cas de décrochage aérodynamique sur un profil S809. Le choix de ces cas fut dicté par la disponibilité de données expérimentales. Dans cette partie, l'emphase fut mise sur la calibration des domaines d'études, de la taille du maillage, des modèles de turbulence et de transition. Nous avons déterminé dans cette partie, décrite dans le premier article (chapitre deux du mémoire) les paramètres appropriés qui ont servi par la suite pour la simulation des autres phénomènes aéroélastiques, décrits dans le troisième chapitre de cet mémoire (deuxième article). Une fois le logiciel choisi et calibré, les analyses se sont concentrées sur le couplage fluide-structure pour simuler deux phénomènes aéroélastiques, la divergence et le flottement aérodynamique. La divergence fut traitée dans deux articles publiés et présentés au « Canadian Society of Mechanical Engineers - 2010 Congress - Victoria, British Columbia ». Ces deux articles ne figurent pas dans ce mémoire, car les aspects importants et les contributions originales y figurant sont repris en grande partie dans les deux articles faisant partie de ce mémoire. Le flottement aérodynamique fut en premier lieu simulé en utilisant le couplage ANSYS-CFX. Dans ce cas, nous avons remarqué que la difficulté majeure était le temps et les capacités de calcul requis. Les résultats numériques de la divergence et du flottement furent comparés avec les résultats expérimentaux obtenus au NASA Langley Centre. Les résultats furent très encourageants au niveau de la précision, mais nous avons conclu que le temps de calcul ne permettait pas d'utiliser les données pour un contrôle en temps réel dans un but d'atténuer les effets aéroélastiques. Ainsi, nous avons utilisé les données de nos simulations pour bâtir un modèle simplifié, mais précis sur le logiciel Simulink de Mathlab© capable de prédire les effets aéroélastiques rapidement et qui pourrait être utilisé pour un contrôle en temps réel des effets aéroélastiques. Les résultats obtenus pour le flottement aérodynamique en utilisant les deux modèles sont détaillés dans le chapitre trois, soit le deuxième article de ce mémoire.-- ABSTRACT: This project concentrates on the study of aeroelastic effects affecting wind turbines blades. The first objective of this project was to conduct an analytical study of the intrinsic aeroelastic effects, choose the most appropriate software for aeroelastic effects simulation, calibrate the tool (the mesh size, the turbulence models, the transition models, etc.) and compare with existing experimental results to validate the mode!. As second objective, the project simplified the very precise CFD (Computational Fluid Dynamics) model based on coupling finite volume and finite element tools into a lumped method that can be applied to real time control algorithms. This has allowed us to better understand the relationship between accuracy and time constraints. The construction of lumped models has helped us to building expertise in real time simulation that are better for application of control strategies. The study of aeroelastic phenomena requires fluid-structure interaction analysis. In other words, the project will require iterative coupling of finite volume for fluid analysis and finite elements for structural analysis in a complex algorithm having high computational and time requirements. Several upstream studies, thus, became essential to optimize computations and avoid simulations with insufficient accuracy or too large resources. In the first place, several software solutions have been studied with regard to their abilities to solve aerodynamic and aeroelastic problems. These studies allowed us to conclude on the advantages of using ANSYS software whilst coupling its structural module with its fluid module, CFX. In order to master this very precise but not so user-friendly software and to calibrate it, we have simulated dynamic stail cases on an S809 airfoil. The choice of these cases was motivated by the availability of experimental results. At that stage, emphasis was laid on the calibration of the study domain, the mesh size, the turbulence models and the transition models. We have concluded in this section (first article, chapter two of this thesis) upon the influence of the former parameters and their optimal values for the simulation of other aeroelastic phenomena described in the third chapter of this thesis. The following phase of the project focused on fluid-structure interaction to simulate two other complex aeroelastic effects: divergence and flutter. The divergence phenomenon was elaborated in two published and presented articles at the « Canadian Society of Mechanica! Engineers - 2010 Congress - Victoria, British Columbia ». Aerodynamic flutter was primarily simulated using ANSYS-CFX. We observed that the major difficulty in this simulation was due to the enormous computational and time requirements. The obtained results were compared with experimental data obtained at the NASA Langley Centre. Despite the accuracy of our results, we concluded that the computation time made impossible the use of the method to implement real time control mechanisms in an attempt to quench the aeroelastic charges. Therefore, results of our CFD based simulations were used to build a simplified model on Matlab-Simulink software, capable of virtually "instantaneously" predict aeroelastic effects and aspiring to be used in a real time algorithm to control aeroelastic effects on wind turbines blades. The results and analys is of the latter obtained by the both the CFD and Matlab based models are detailed in chapter three of this thes is via a second article published and presented at the « International Conjèrence on Inlegrated Modeling and Analysis in Applied Control and Automation - Rome, Italy, 2011 »