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Improving the performance of H-Darrieus vertical-axis turbines for their use in isolation and within turbine farms

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2021
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Les turbines à axe vertical attirent de plus en plus l'attention dans le secteur de la production d'énergie éolienne et hydrolienne. Ce concept de turbine possède quelques avantages intéressants par rapport aux turbines à axe horizontal qui sont déjà bien établies dans le domaine éolien. En fait, des travaux récents ont suggéré que les turbines à axe vertical pourraient être favorablement utilisées dans un contexte de déploiement en parc de turbines. Par contre, cette technologie est relativement jeune et davantage de travaux de recherche et développement sont nécessaires afin d'évaluer pleinement leur potentiel en vue d'une utilisation en parc. En effet, il faut mieux caractériser les performances de ces turbines, trouver des moyens d'améliorer leur efficacité aérodynamique et comprendre les différents mécanismes physiques affectant la ré-énergisation de leur sillage afin de tirer des conclusions éclairées quant à leur éventuelle utilisation dans un parc éolien ou hydrolien. Dans ce contexte, la présente thèse vise à étudier l'impact de deux considérations de design sur l'efficacité et sur le sillage des turbines à axe vertical : l'utilisation de plaques de bout détachées et l'effet des bras de support des pales. Dans un premier temps, l'effet des plaques de bout détachées sur les performances et sur le sillage d'une turbine à axe vertical est étudié. Une plaque de bout détachée consiste en une mince plaque fixe située très près du bout des pales de la turbine, mais sans être en contact avec ces dernières. À l'aide de simulations numériques (CFD), deux géométries de plaques de bout détachées sont simulées sur une turbine à axe vertical : une géométrie circulaire et une en forme de demi-anneau. Les résultats obtenus démontrent que ces deux géométries de plaques de bout détachées permettent d'améliorer considérablement l'efficacité de la turbine à axe vertical considérée. Cette augmentation s'explique principalement par l'interaction visqueuse qui se forme entre les pales de la turbine et les plaques debout détachées. Cette interaction cause une hausse de la circulation et de la portance près du bout des pales, ce qui entraîne une augmentation de la puissance extraite de l'écoulement. En ce qui a trait au sillage, il est également démontré que l'utilisation de plaques de bout détachées en forme de demi-anneau permet d'accélérer la récupération de vitesse derrière la turbine à axe vertical considérée. L'interaction visqueuse entre les pales de la turbine et les plaques de bout détachées en forme de demi-anneau est favorable à l'induction de vitesse dans la direction de l'envergure des pales dans le sillage de la turbine, et cette induction de vitesse est bénéfique à la ré-énergisation du sillage. Pour cette raison, la récupération de vitesse dans le sillage d'une turbine avec de telles plaques de bout détachées est plus rapide que dans le sillage d'une turbine de référence (sans plaques de bout détachées). Dans un second temps, toujours à l'aide de simulations numériques, l'effet du design et du positionnement des bras de support servant à soutenir les pales de la turbine à axe vertical est étudié. Les résultats démontrent que des bras de support placés au bout des pales sont moins nuisibles à l'efficacité de la turbine que des bras placés à d'autres positions intermédiaires le long de l'envergure. De plus, il est montré que l'utilisation d'une jonction arrondie entre les pales et les bras de support permet d'augmenter l'efficacité des turbines de manière très importante. En fait, l'utilisation de telles jonctions arrondies permet de réduire l'énergie cinétique des tourbillons de bout de pales, et donc, de diminuer considérablement leur traînée induite. Ainsi, ces jonctions arrondies aident à uniformiser l'écoulement le long des pales de la turbine et à atteindre des valeurs d'efficacité très intéressantes. Concernant le sillage, la position des bras de support affecte la distribution spatiale de la vorticité qui est éjectée dans ce dernier. Les résultats présentés démontrent que des bras de support situés au bout des pales sont légèrement nuisibles à la récupération de vitesse par rapport à des bras de support situés à d'autres positions intermédiaires le long de l'envergure de la turbine. Toutefois, en raison de l'augmentation significative d'efficacité, l'utilisation de bras de bout de pales à jonctions arrondies demeure une option très intéressante pour les turbines à axe vertical.
Vertical-axis turbines have gained increasing attention in the wind and hydrokinetic energy sectors in recent years. This type of turbine has several interesting advantages over the well-established horizontal-axis wind turbine concept and recent works have suggested that vertical-axis turbines could be favorable for applications in turbine farms. However, this technology is relatively young and more research and development is needed to fully assess their potential in turbine farms. Indeed, it is crucial to better characterize the performance of vertical-axis turbines, find ways to improve their aerodynamic efficiency and understand the different physical mechanisms affecting their wake recovery in order to draw informed conclusions about their eventual use in wind farms and hydrokinetic turbine farms. In this context, the present thesis aims at studying the impact of two design considerations on the efficiency and on the wake recovery of vertical-axis turbines: the use of detached end-plates and the effect of the blade support structures. Firstly, the effect of detached end-plates on the performance and on the wake recovery of a vertical-axis turbine is investigated. A detached end-plate consists of a thin stationary plate that is located very close to the tips of the turbine blades, but not in contact with them. Using numerical simulations (CFD), two geometries of detached end-plates are simulated on a vertical-axis turbine: a circular geometry and a semi-annular one. The results show that these two geometries of detached end-plates allow to significantly increase the efficiency of the vertical-axis turbine considered. The efficiency enhancement can be explained by the viscous interaction that takes place between the turbine blades and the detached end-plates. This interaction increases the circulation and the lift near the blade tips, which also increases the power extracted from the flow. Regarding the wake, it is shown that the use of semi-annular detached end-plates leads to a faster velocity recovery downstream of the vertical-axis turbine considered. The viscous interaction between the blades and the semi-annular detached end-plates is favorable to the velocity that is induced in the spanwise direction in the turbine wake, and this velocity induction is beneficial to the wake re-energization. Consequently, the velocity recovery in the wake of the turbine with semi-annular detached end-plates is faster than that in the wake of the reference turbine (without detached end-plates). Secondly, always using numerical simulations, the effect of the design and of the position of the blade support structures (i.e., the struts) is investigated on a vertical-axis turbine. The results show that the struts are less detrimental to the turbine efficiency if they are located at the tips of the turbine blades, rather than at other intermediate positions along the blade span. Moreover, it is shown that the use of rounded blade-strut junction geometries allows to increase the turbine efficiency very significantly. Indeed, the use of rounded blade-strut junctions reduces the kinetic energy of the blade tip vortices, and thus, decreases the induced drag considerably. Therefore, rounded blade-strut junctions help to obtain a flow that is essentially two-dimensional over a significant portion of the turbine blades and they also help to reach very interesting efficiency values. Regarding the wake recovery, the position of the struts along the blade span affects the spatial distribution of the vorticity shed in the turbine wake. The results show that struts located at the blade tips are slightly detrimental to the wake recovery in comparison with struts located at other intermediate positions along the blade span. However, because of the significant increase in efficiency, the use of rounded tip struts remains a very interesting option for vertical-axis turbines.
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thèse de doctorat