Simulations of wind turbine wakes in realistic atmospheric conditions : from large eddy simulations to analytical models
Jézéquel, Erwan
Simulations de sillages d'éoliennes en conditions atmosphériques réelles : des simulations aux grandes échelles aux modèles analytiques
Les éoliennes sont souvent regroupées en parcs où elles sont sujettes aux sillages des rotors en amont. Les sillages d'éoliennes sont des régions où la vitesse du vent est réduite et la turbulence (les variations de vent) est augmentée, ce qui induit respectivement une baisse de la production et de la durée de vie du parc, résultant au final en un coût de l'électricité plus élevé.La disposition des parcs doit donc être optimisée en prenant les sillages en compte pour rendre leur production plus efficace. Comme les études d'optimisation demandent d'étudier de nombreux cas, les modèles analytiques statiques ont été développés pour donner rapidement les caractéristiques d'un sillage, et estimer les perturbations engendrées sur les rotors qui en découlent.De plus, les sillages d'éoliennes interagissent avec la couche limite atmosphérique (CLA). Selon la stabilité de l'atmosphère, des structures turbulentes de grande échelle sont créées dans la CLA qui induisent des déplacements à basse fréquence du sillage. Ce phénomène, appelé méandrement, modifie les propriétés du sillage moyen, mais est rarement pris en compte explicitement dans les modèles statiques. Ce travail de thèse vise à mieux comprendre et modéliser les interactions entre les sillages et la CLA, en se basant sur des simulations haute-fidélité.La première partie du manuscrit est dédiée à un état de l'art. On commence par décrire les principes de la météorologie, sur lesquels se base le reste de ce travail. Puis, une revue de la littérature sur les sillages et leurs interactions avec la CLA est faite. On y détaille aussi les principaux modèles de sillages, statiques et pour le méandrement. Cette partie se termine sur une description du code haute-fidélité utilisé, Meso-NH, ainsi que de la paramétrisation de la turbine.Dans la deuxième partie, nous nous focalisons sur ces simulations haute-fidélité. Meso-NH est d'abord validé par rapport à des codes équivalents de la communauté pour trois cas de stabilité : neutre, stable et instable. Après une étude comparative de différentes méthodes de post-traitement, une analyse physique approfondie des sillages pour les trois cas est proposée. Il est conclu que la stabilité atmosphérique impacte surtout le méandrement de sillage et assez peu son expansion, qui est plutôt attribuée au fonctionnement du rotor.La troisième partie part de cette conclusion. La turbulence et la vitesse du vent sont séparées en plusieurs termes qui sont associés au méandrement, à l'expansion du sillage ou aux deux. Ces termes sont comparés pour les différents cas de stabilité et un modèle est proposé pour ceux qui sontprépondérants. Il en résulte un nouveau modèle analytique statique pour la vitesse et la turbulence qui prend indépendamment en compte le méandrement et l'expansion du sillage.Cette thèse a donc permis de présenter et d'analyser de nouveaux résultats qui améliorent notre compréhension de l'interaction des sillages et de la CLA, et de proposer un nouveau modèle statique qui prend en compte le méandrement.</p>
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