Modeling of wind turbine noise sources and propagation in the atmosphere

L'objectif de ce travail est de modéliser les sources et la propagation atmosphérique du bruit généré par les éoliennes afin de mieux comprendre les caractéristiques de ce bruit à grande distance et d'aider les fabricants d'éoliennes et les développeurs de parc à respecter la réglementation. En couplant des modèles physiques de source aéroacoustique et de propagation, nous sommes capables de prédire les spectres de bruit, ainsi que la directivité et les modulations d'amplitude associées, pour différentes conditions atmosphériques. Le bruit aérodynamique large bande, à savoir le bruit d'impact de turbulence,le bruit de bord de fuite et le bruit de décrochage, est généralement dominant pour les éoliennes modernes. Le modèle analytique d'Amiet est choisi pour prédire le bruit d'impact de turbulence et le bruit de bord de fuite, en considérant plusieurs améliorations par rapport à la théorie initial : 1, une correction empirique pour l'épaisseur du bord d'attaque est introduite dans le calcul du bruit d'impact de turbulence ; 2, un modèle spectral des fluctuations de pression pariétale proposé récemment pour un écoulement avec gradient de pression défavorable est utilisé dans le calcul du bruit de bord de fuite. Ces modèles sont validés par comparaison avec des mesures de la littérature en soufflerie avec des profils fixes.Le modèle d'Amiet est ensuite appliqué à une éolienne complète pour prédire le bruit émis en champ proche. L'effet de la rotation des pales et l'effet Doppler sont pris en compte. On utilise d'abord des profils de vent constant sans turbulence, puis l'effet du cisaillement du vent et de la turbulence atmosphérique sont inclus à l'aide de la théorie de la similitude de Monin-Obukhov. De bons accords sont obtenus avec des mesures sur site éolien lorsque l'on considère à la fois les bruits de bord de fuite et d'impact de turbulence. On retrouve à l'aide du modèle les caractéristiques classiques du bruit des éoliennes, comme la directivité et les modulations d'amplitude. Des comparaisons avec un modèle semi-empirique montrent que le bruit de décrochage peut être significatif dans certains conditions.L'étape suivante consiste à coupler la théorie d'Amiet avec des modèles de propagation pour estimer le bruit à un récepteur en champ lointain. On étudie dans un premier temps un modèle analytique de propagation en conditions homogènes au-dessus d'un sol d'impédance finie. On montre que l'effet de sol modifie la forme des spectres de bruit, et augmente les modulations d'amplitude dans certains tiers d'octave. Dans un second temps, une méthode pour coupler le modèle de source à un code d'équation parabolique est proposée et validée pour prendre en compte les effets de réfraction atmosphérique. En fonction de la direction de propagation, les niveaux de bruit varient car l'effet de sol est influencé par les gradients de vent et car une zone d'ombre est présente dans la direction opposée au vent. On discute pour finir l'approximation de source ponctuelle à l'aide des modèles de propagation analytique et numérique.The purpose of this work is to model wind turbine noise sources and propagation in the atmosphere in order to better understand the characteristics of wind turbine noise at long range and to help wind turbine manufacturers and wind farm developers meet the noise regulations. By coupling physically-based aeroacoustic source and propagation models, we are able to predict wind turbine noise spectra, directivity and amplitude modulation in various atmospheric conditions.Broadband noise generated aerodynamically, namely turbulent inflow noise, trailing edge noise and separation/stall noise, is generally dominant for a modern wind turbine. Amiet's analytical model is chosen to predict turbulent inflow noise and trailing edge noise, considering several improvements to the original theory: 1, an empirical leading edge thickness correction is introduced in the turbulent inflow noise calculation; 2, a wall pressure fluctuation spectrum model proposed recently for adverse pressure gradient flow is used in the trailing edge noise predictions. The two models are validated against several wind tunnel experiments from the literature using fixed airfoils.Amiet's model is then applied on a full-size wind turbine to predict the noise emission level in the near field. Doppler effect and blade rotation are taken into account. Cases with constant wind profiles and no turbulence are used first, then wind shear and atmospheric turbulence effects obtained from Monin-Obukhov similarity theory are included. Good agreements against field measurements are found when both turbulent inflow noise and trailing edge noise are considered. Classical features of wind turbine noise, such as directivity and amplitude modulation, are recovered by the calculations. Comparisons with a semi-empirical model show that separation noise might be significant in some circumstances.Next, Amiet's theory is coupled with propagation models to estimate noise immission level in the far-field. An analytical model for the propagation over an impedance ground in homogeneous conditions is studied first. The ground effect is shown to modify the shape of the noise spectra, and to enhance the amplitude modulation in some third octave bands. A method to couple the source model to a parabolic equation code is also proposed and validated to take into account atmospheric refraction effects. Depending on the propagation direction, noise levels vary because the ground effect is influenced by wind shear and a shadow zone is present upwind. Finally, the point source assumption is reviewed considering both the analytical and numerical propagation models