Simulations DES des sillages turbulents des hydroliennes à axe verticale

Matthieu Boudreau
Étudiant à la maîtrise
matthieu.boudreau.1@ulaval.ca

Parmi les énergies renouvelables, le secteur hydrolien est en fort développement actuellement. Le groupe de recherche au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval contribue activement au développement de cette technologie depuis plusieurs années, en particulier en ce qui concerne le développement de nouveaux concepts de turbines hydro-cinétiques dont les hydroliennes à ailes oscillantes (HAO) font partie. Parmi les autres technologies également considérées pour les applications marémotrices, on retrouve principalement les hydroliennes à axe horizontal (HAH) et celles avec axe vertical (HAV). Il est prévu que ces turbines soient utilisées en grappes, similairement aux parcs d’éoliennes, dans les sites où d’importants courants de marée sont observés. Afin de maximiser la production d’énergie d’un site donné, on souhaite donc placer les turbines le plus densément à l’intérieur du parc. Le choix d’une technologie particulière ne dépendra donc pas seulement de son efficacité individuelle prise en isolation, mais également en tenant compte des interactions entre les turbines elles-mêmes. En effet, la proximité des turbines peut créer un effet de blocage et le sillage d'une turbine peut influencer grandement la performance d'une autre turbine placée en aval. Ainsi, il est très important de caractériser les différents types de turbine quant à la structure de sillage et de turbulence qu’elles génèrent et quant à la dissipation plus ou moins rapide de leur trace en déficit de vitesse.

L'étude du sillage nécessite des simulations numériques 3D instationnaires utilisant des techniques de modélisation de la turbulence avancées. Une des approches utilisées se nomme le DES ("Detached Eddy Simulation"). Il s'agit d'un modèle caractérisé d'hybride puisqu'il combine à la fois des techniques de modélisation de la turbulence plus simple près des corps, soit l'approche RANS, et des techniques plus avancées de type LES loin des corps afin d'être en mesure de capter des détails plus fins de l'écoulement dans les zones d'intérêt tel que le sillage. Par ailleurs, la reproduction du mouvement des pales de chacun des types d'hydroliennes lors des simulations numériques représente un défi. L'utilisation de techniques spécialisées telles que les interfaces en mouvement non conformes rendent possible le maintien d'une bonne qualité de maillage aux endroits stratégiques de l'écoulement.

Ces approches numériques sont implémentées autant dans des solveurs commerciaux ainsi que dans un logiciel libre, tous utilisés au LMFN. Étant donné la lourdeur des calculs nécessaires à cette étude, ces simulations sont réalisées sur les infrastructures de calcul haute performance de Calcul Canada, dont les super-ordinateurs Colosse et Guillimin du CLUMEQ.