Optimisation des turbines à axes verticales par simulations numériques

Rémi Gosselin
Étudiant au doctorat
remi.gosselin.2@ulaval.ca

Les problématiques environnementales actuelles poussent le développement de sources d’énergies alternatives dont font partie les éoliennes, et dans une moindre mesure, les hydroliennes. Basées sur l'harnachement de l’énergie du vent ou des courants de marée et de rivière, ces technologies ont un potentiel considérable au Québec et dans la plupart des régions côtières du globe.

Lors de l’essor des premières éoliennes dans les années 20, deux types de technologies cohabitaient: les turbines dites à axe horizontal, en forme d’hélice, et celles dites à axe vertical, dont les turbines de type Darrieus font partie (en forme de batteur à œufs). Chaque technologie possédant ses propres avantages et inconvénients, l’aérodynamique plus simple et mieux maîtrisée d’une hélice, notamment grâce à l’aviation, permit l’essor des turbines à axe horizontal au détriment des Darrieus. Cinquante ans plus tard, lors des chocs pétroliers, il y eut un regain d’intérêt envers les éoliennes à axe vertical. De nombreux essais expérimentaux ont alors eu lieu fournissant une base de références inestimable dans le domaine. Ces essais ont validé le potentiel de cette technologie en termes d’efficacité, mais ils n'ont pu régler un inconvénient majeur des turbines à axe vertical: les vibrations engendrées par les variations de couple, qui entraînent des problèmes de fatigue à long terme.

De nos jours, la puissance de calcul disponible est suffisante pour simuler de tels écoulements dans un temps relativement court, en se basant sur des modèles de type URANS. Ceci permet d’approfondir notre compréhension de l’aérodynamique associée aux Darrieus ainsi que d’assurer une meilleure prédiction des performances d’une turbine réelle sans avoir recours à des campagnes d’essais expérimentaux extrêmement coûteuses. Dans un second temps, des techniques de contrôle du couple et d’augmentation de l’efficacité, comme une orientation variable des pales ou une forme hélicoïdale, sont étudiées au LMFN afin de contribuer au développement de cette technologie prometteuse.

L’étude des différents paramètres 2D (solidité, nombre de pales, etc.) est complétée par quelques calculs en 3D afin d’estimer les pertes de performances liées à l’utilisation de pales de hauteur finies, avec et sans plaque de bout. Ces calculs restent néanmoins très couteux en ressources informatiques à l’heure actuelle, et ne permettent pas de couvrir un large éventail de paramètres.