Aérodynamique de fermes d'éoliennes à partir d'une approche inter-échelle – SONATE

L'objectif du projet SONATE vise à étudier l'aérodynamique, les performances et les pertes d’énergie d'une ferme éolienne à différentes échelles et dans des conditions amont réalistes différentes arrivant sur une ferme de grande échelle. Pour optimiser les performances et la durée de vie des éoliennes individuelles fonctionnant en ferme, il est essentiel de comprendre le comportement collectif de l'aérodynamique des éoliennes. On sait que la physique complexe de l'aérodynamique des éoliennes en fermes est multi-échelle du fait de l'interaction non-linéaire entre l'écoulement instationnaire du sillage en rotation et le mât, l'interaction de sillages des éoliennes placées à proximité des unes des autres, le sillage produit par la femme elle-même, et les grandes échelles turbulentes de l’écoulement atmosphérique. L'interaction entre les sillages, notamment, entraîne une perte de puissance importante de la ferme (30-40% de la production totale). Toutefois, la majorité des codes industriels utilisent en pratique des modèles analytiques simples pour simuler les sillages, fondés principalement sur le déficit de vitesse moyenne. La couche limite atmosphérique, le blocage et la dynamique d'interaction de sillages ne sont pas toujours pris en compte.
Un modèle simplifié équivalent de la ferme éolienne est nécessaire pour obtenir des codes industriels efficaces prédisant correctement les performances des parcs éoliens. Ils doivent générer les mêmes blocages, pertes et phénomènes dynamiques, sur la base d'expériences réalistes dans des conditions d'écoulement physiques correspondant à une ferme à taille réelle (angle du vent, turbulence, moment angulaire, etc.). Dès lors, les modèles d'ordre réduit (POD-ROM) basés données sont reconnus comme pertinents pour constituer des modèles réduits de substitution comportant des phénomènes dynamiques et calculables rapidement. Une maquette de ferme d’éolienne sera conçue et caractérisée à partir de mesures à grande échelle dans la section environnementale de la soufflerie Malavard du laboratoire PRISME. Des disques poreux seront utilisés comme substituts de l'éolienne, qui produit des sillages similaires en champ lointain et pour laquelle l'équipe est particulièrement reconnue. L'effet des paramètres amont de l'écoulement sur l'aérodynamique de la ferme sera étudié, en se concentrant en particulier sur la turbulence (en utilisant des grilles de turbulence), l'angle du vent (en plaçant le parc dans une rose des vents) et le moment angulaire généré par la rotation des pales.
Trois échelles physiquement pertinentes seront examinées : (i) l'échelle de la turbine (WP1) ; (ii) l'échelle d'une ligne infinie longitudinale et transversale de turbines (WP2) ; (iii) et l'ensemble de la ferme (WP3). A partir de toutes les échelles étudiées dans ces WPs, des modèles d'ordre réduit de plus en plus complexes seront conçus pour modéliser simplement l'aérodynamique de la ferme (WP4). Deux stratégies différentes seront proposées ici : (i) modéliser le blocage moyen de la ferme en utilisant un milieu poreux ; (ii) modéliser les propriétés et la dynamique de l'écoulement en utilisant des modèles réduits POD-ROM. Les résultats du projet seront sollicités afin d’améliorer les modèles industriels (comme FAST.Farm) en vue d'une meilleure représentation des phénomènes dynamiques. Les résultats seront à disposition pour établir des partenariats scientifiques en France et en Europe, afin d’être comparés avec des simulations haute-fidélité et à des mesures sur le terrain. Le projet me permettra d'assumer des responsabilités d'encadrement et de gestion, ainsi que de promouvoir la recherche en aérodynamique environnementale au sein de l'équipe aérodynamique du laboratoire PRISME.