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Simulations Numériques des Transitions de Couche Limite sur des Pales en Rotation : Eolienne à Axe Horizontal et Hélice Marine
Les couches limites des Eolienne à Axe Horizontal (HAWT) et des hélices marines partagent un point commun avec l'écoulement de von Kármán, qui est créé par un disque rotatif immensé dans un fluide. L'écoulement de von Kármán peut induire une transition par écoulement transverse aussi dite...
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| Auteurs principaux : | , , , , , , |
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| Collectivités auteurs : | , , |
| Format : | Thèse ou mémoire |
| Langue : | anglais |
| Titre complet : | Simulations Numériques des Transitions de Couche Limite sur des Pales en Rotation : Eolienne à Axe Horizontal et Hélice Marine / Zhenrong Jing; sous la direction de Antoine Ducoin et de Caroline Braud |
| Publié : |
2020 |
| Accès en ligne : |
Accès Nantes Université
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| Note sur l'URL : | Accès au texte intégral |
| Note de thèse : | Thèse de doctorat : Mécanique des Milieux Fluides : Ecole centrale de Nantes : 2020 |
| Sujets : |
| Résumé : | Les couches limites des Eolienne à Axe Horizontal (HAWT) et des hélices marines partagent un point commun avec l'écoulement de von Kármán, qui est créé par un disque rotatif immensé dans un fluide. L'écoulement de von Kármán peut induire une transition par écoulement transverse aussi dite "corss-flow". L'objet de la présente étude est la possibilité d'une transition d'écoulement transversal sur les HAWT et les hélices marines. Cette étude montre que les transitions naturelle de couche limite sur les HAWTs et les hélices marine sont induites par des mécanismes distinctement différents. Le résultat de l'écoulement autour d'un pale de HAWT montre que le profil de la couche limite est très proche d'un profil bidimensionnel. Sur la pale, la vitesse dans le sens de l'envergure est faible lorsque la couche limite est attachée. En conséquence, la transition naturelle est très similaire au profil 2D et est aux ondes de Tollmien Schlichting (TS). Sur la pale d'hélice marine, l'écoulement de la couche limite est entièrement tridimensionnel (3D) en raison de la rotation. L'instabilité et la transition des "cross-flow" sont clairement observées. La forme des tourbillons est en bon accord avec la prédiction de la théorie de la stabilité linéaire (LST). Bien qu'il ait été longtemps supposé que la "cross-flow" transition devrait être importante sur les hélices, il s'agit de la première observation directe de tels phénomènes à notre connaissance. Parce que l'hélice n'a pas de symétrie de rotation infinie, notre résultat suggère que la couche limite sur les hélices marines est instable par convection. Cet aspect est différent par rapport a l'écoulement de von Kármán, qui est inconditionnellement instable. The boundary layers on HAWTs and marine propellers share an apparent common point with von Kármán swirling flow, which is created by a rotating disk in the otherwise still fluid. von Kármán swirling flow is the prototype of cross-flow transition. Therefore one focus of the present study is the possibility of cross-flow transition on HAWTs and marine propellers. This study shows that the natural boundary layer transitions on the HAWT and the marine propeller are induced by distinctively different mechanisms. The numerical result of a HAWT blade shows that the boundary layer profile on it is very close to 2-Dimensional (2D) airfoil flow. On the blade, the velocity in spanwise direction is small in the attached boundary layer. As a result, the natural transition on HAWT blade is very similar to the 2D airfoil and is due to Tollmien-Schlichting (TS) wave. On the marine propeller blade, the boundary layer flow is fully 3-Dimensional (3D) due to rotation. Cross-flow instability and transition are clearly observed. The shapes of the cross-flow vortices are in good agreement with the prediction of Linear Stability Theory (LST). Although its been long assumed that cross-flow transition should be important for propellers, this is the first direct observation of such phenomena as far as we know. Because the propeller does not have infinite rotational symmetry, our result suggests the boundary layer on the marine propeller is convectively unstable. This is different with von Kármán boundary layer flow, which is absolutely unstable. |
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| Variantes de titre : | Numerical Simulations of boundary layer transitions on rotating blades : Horizontal Axis Wind Turbine and Marine Propeller |
| Notes : | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Jean-Christophe Robinet (Président du jury) ; Antoine Ducoin, Caroline Braud, Jean-Christophe Robinet, Alois Schaffarczyk, Jean-Yves Billard, Mostafa Safdari Shadloo (Membre(s) du jury) ; Jean-Christophe Robinet, Alois Schaffarczyk (Rapporteur(s)) |
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