Simulation numérique et expérimentale de l'écoulement d'air et de l'accrétion de glace autour d'une pale d'éolienne

RÉSUMÉ : Le Québec dispose de régions à potentiel éolien élevé mais est malheureusement situé en milieu nordique où les problèmes liés au givrage des pales d'éoliennes sont fréquents. D'un site éolien à l'autre, les conditions météorologiques changent et les éoliennes sont différentes. De simples mesures expérimentales sur des sites particuliers ne sont donc pas suffisantes pour cerner totalement le problème du givrage des éoliennes. Une approche analytique par simulations numériques est indispensable. Un modèle numérique de calcul de l'écoulement d'air autour d'une pale d'éolienne a donc été développé. Ce modèle correspond au premier des 4 modules (Écoulement, Trajectoire, Thermodynamique et Géométrie) du logiciel de simulation d'accrétion de glace sur profil aérodynamique adapté à l'éolien et en cours de développement au Laboratoire International des Matériaux Antigivre (LIMA) de l'Université du Québec à Chicoutimi. Le modèle numérique d'écoulement s'exécute sur un profil de pale 20 givré ou non givré et se divise en deux parties distinctes : calcul de l'écoulement potentiel par la méthode des panneaux de Hess et Smith et calcul de la couche limite visqueuse par les méthodes intégrales de Thwaites et de Head. Des mesures expérimentales ont ensuite été réalisées dans la soufflerie réfrigérée du LIMA. Des coefficients de portance et de traînée ont été mesurés sur un profil NACA 63415, profil caractéristique des pales d'éoliennes de grande puissance, à l'aide d'une balance aérodynamique. Des ch amps de vitesses ont aussi été mesurés sur ce profil à l'aide d'anémomètres à fil chaud. Des résultats de vitesses tangentielles et d'épaisseurs de couche limite ont été obtenus après analyse des résultats de champs de vitesses à la surface du profil. Les résu ltats du modèle numérique, les résultats expérimentaux et les résultats issus de la littérature (RISO et logiciel XFoil) ont ensuite été confrontés pour valider le modèle numérique d'écoulement. Dans le cas de profils non givrés et pour des nombres de Reynolds suffisamment élevés (Re ~ 4.0*106 ) , le modèle numérique d'écoulement est validé pour des positions situées avant la zone de décrochage, et pour des angles d'attaque allant de 0° à 15 °. Dans le cas de profils givrés, les résultats de vitesses tangentielles et de paramètres de couche limite sont très peu précis mais les résultats de champs de vitesses et de lignes de courant, qui ne sont pas des paramètres directement liés à l'état de surface du profil, restent cohérents pour les positions en avant de la corne formée par la glace. Des simulations de givrage en soufflerie ont également été réalisées sur le profil NACA 63415. Les formes et les masses des dépôts de glace accumulés sur le profil ainsi que les pertes de portance et les augmentations de traînée ont été déterminées. Les conditions de simulation utilisées sont basées sur des données météorologiques relevées dans le parc éolien de Murdochville en Gaspésie lors d'évènements de brouillard givrant. Une mise à l'échelle a été effectuée selon les données techniques des éoliennes Vestas V80 de 1.8 MW pour 3 positions radiales diffé rentes et les données de deux évènements de brouillard givrant (l 'un en régime humide d'accrétion et l'autre en régime sec) . Plus le profil choisi est éloigné de l'axe, plus la glace s'accumule facilement sur la pale. En régime humide, le verglas se dépose sur le bord d'attaque, sur l'intrados et s'accumule par ruissellement sur le bord de fuite entre le milieu et le bout de pale. En régime sec, le givre se dépose sur le bord d'attaque et sur une partie de l'intrados entre le milieu et le bout de la pale. Les dépôts de glace rugueux et en forme de « corne » obtenus en régime sec sont plus pénalisants du point de vue aérodynamique que les dépôts en régime humide. Les résultats de portance et de traînée obtenus sur le profil givré et non givré ont été entrés dans un modèle de rotor idéalisé. Ce modèle fait ressortir que, sur l'ensemble de la pale, la force de traînée induite par le givre est trop importante comparativement à la force de portance, le couple de poussée généré devient négatif, entraînant l'arrêt de l'éolienne. La diminution du couple de poussée se fait surtout ressentir sur la moitié extérieure de la pale. Dégivrer uniquement la moitié extérieure de la pale permet à l'éolienne de fonctionner dans de bonnes conditions tout en réduisant les coûts en énergie de dégivrage. ABSTRACT : The wind-energy market is in full growth in Quebec, but technical difficulties due to cold climate conditions have occurred for most of the existing projects. One of the main issues associated with wind energy in co Id climates is the icing of the wind-turbine blades. Because meteorological conditions and wind turbines characteristics are different from a place to another, experimental measures in specific places will never be enough and analytical studies using numerical simulations have become essential. Thus, a numerical model of the air flow around a rotor blade has been developed. This numerical model constitutes the first one of the four modules (Flow, Trajectories, Thermodynamic and Geometry) of the LlMAIcing20 software, developed by Anti -Icing Materials International Laboratory (AMIL) and specifically adapted to simulate the icing of wind turbines. The air flow numerical model runs with a 20 clean or iced blade profile and is made up with 2 different parts : potential flow calculation with the Hess and Smith panel method and viscous boundary layer calculation with Thwaites and Head integral methods. Experimental measures using an aerodynamic balance have then been carried out in the AMIL wind tunnel on a NACA 63415 wind turbine blade profile in order to bui ld lift and drag coefficients vs attack angle curves. Velocity field has also been measured ail around the rotor blade profile with hot wire probes anemometers. Tangential speeds and boundary layer thicknesses have been evaluated by analysing speed measures very close to the blade surface. Numerical model results, experimental results and literature data have then been confronted in order to validate the air flow numerical model. For clean blade profiles and when Reynolds number is high enough (Re> 4.0*106 ) , the results of the numerical model are validated for positions before the stail region and for attack angles between 0 ° and 15 o. For iced blade profiles, resu lts concerning tangential speeds and boundary layer parameters are not so good but, results concerning velocity fields and stream lines, which are not parameters directly linked to the blade profile surface, look to be coherent for positions in front of big ice deposits. Icing simulation was finally carried out on the NACA 63415 blade profile in the AMIL refrigerated wind tunnel. The shapes and masses of the ice deposits were measured as weil as the aerodynamic lift and drag of the iced blade profiles. The conditions for simulation in the wind tunnel were based on meteorological data measured at the Murdochville wind farm in the Gaspé Peninsula during in-fog icing. Two different in-fog icing conditions were considered, characterized by wind speed of 8.8 and 4.4 m/s, respectively, generating wet and dry ice accretions. Scaling was carried out based on the 1.8 MW - Vestas V80 wind turbine technical data, for three different radial positions and two in-fog icing conditions. In wet regime testing, glaze formed mostly near the leading edge and on the lower surface. It accumulated by runoff on the trail ing edge for blade profiles located at the centre and tip blade. In dry-regime testing, rime accreted on the leading edge and partially on the lower surface of the blade profiles located between the middle and the tip blade. ln bath dry and wet regimes, because of a greater ice amount for high radial positions, lift decreased with an increase in radial position , while drag increased following a power law. Between the centre and the tip, drag increased considerably compared to lift, which seriously decreased rotor blade aerodynamic performances. An ideal horizontal-axis wind-turbine model was finally used to evaluate the impact of the lift reduction and drag increase on the wind turbine blade. For both icing events, the model shows that drag force becomes too great compared to lift, resulting in negative torque and the wind turbine stoppage. Torque reduction is more significant on the last half of the blade. Setting up a de-icing system only on this part of the blade wou Id enable to decrease heating energy costs