Dynamique et instabilités des paires de vortex hélicoïdales – TWIN-HELIX

Le but de ce projet est d'acquérir de nouvelles connaissances fondamentales sur la dynamique et les instabilités de paires de vortex ayant une géométrie hélicoïdale à grande échelle, qui ont un intérêt pour des applications impliquant des écoulements autour des rotors. Ces applications comprennent le sillage généré par un hélicoptère et l'écoulement derrière une éolienne à axe horizontal. Dans les deux cas, des problèmes importants liés à la mécanique des fluides existent, concernant la sécurité, le confort ou l'efficacité du fonctionnement. Le sillage tourbillonnaire de l'hélicoptère est connu pour subir une transition dangereuse vers un état d’anneau (Vortex Ring State) dans des situations de descente rapide, et l'interaction du tourbillon d'extrémité de pale avec la pale suivante est une source bien connue de bruit indésirable des hélicoptères. L'évolution spatiale d'un sillage d'éolienne a une influence directe sur la performance et la fatigue d'une deuxième turbine placée en aval, qui est aujourd'hui une configuration fréquente.

Le projet TWIN-HELIX se concentre sur l'étude d'une configuration générique nouvelle impliquant des tourbillons hélicoïdaux. Une ou plusieurs hélices régulièrement espacées ont été utilisées dans le passé pour modéliser les sillages de rotors, et l'étude de leur dynamique et leur évolution a récemment fait des progrès significatifs. Ici, le tourbillon unique est remplacé par une paire de tourbillons rapprochés contra- ou corotatifs. Il est attendu que les interactions entre les deux, qui dépendent de nouveaux paramètres liés à la paire, en particulier la distance de séparation des vortex, influencent et modifient de façon significative l'évolution globale de l'écoulement hélicoïdal, comme observé dans plusieurs études empiriques dans le passé.

Une approche originale basée sur l'utilisation de la modélisation théorique combinée avec des expériences dédiées est développée, afin d'identifier les principaux paramètres qui régissent la dynamique et les instabilités des paires de tourbillons hélicoïdales. Dans une première phase, les connaissances antérieures sur l'évolution de paires de vortex droites et de tourbillons hélicoïdaux «standard» sont utilisées pour explorer les scénarios possibles pour les paires hélicoïdales. Ceci est accompagné d’une enquête préliminaire expérimentale utilisant une aile à ailettes. Dans une deuxième phase, une analyse théorique complète de la géométrie des paires hélicoïdales est réalisée, pour déterminer les configurations de base possibles, ainsi que leur stabilité par rapport aux différents mécanismes de perturbation: appariement, fusion, instabilités à grandes et petites longueur d’ondes. Basé sur ces résultats, les configurations avec les caractéristiques les plus prometteuses pour les applications à grande échelle sont sélectionnées pour une étude expérimentale approfondie, en utilisant une seule pale de rotor à ailettes, et comprenant des comparaisons détaillées avec les prédictions théoriques. Une comparaison supplémentaire avec les résultats de simulations numériques tridimensionnelles, obtenus par DTU Wind Energy à Copenhague, est également prévue pour ces configurations.

Il est prévu que le projet TWIN-HELIX fera émerger de nouveaux concepts, basés sur la physique, pour modifier ou contrôler le comportement des sillages de rotors, ce qui pourrait contribuer à accroître la sécurité et réduire le bruit associés au vol des hélicoptères, et d'augmenter l'efficacité et la durée de vie des éoliennes. La mise en œuvre pratique de ces idées pourrait être envisagée dans de futurs travaux.