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Simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre : cas test pour le givrage des éoliennes

Martini Fahed. (2012). Simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre : cas test pour le givrage des éoliennes. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Ce projet s'inscrit dans des études à approfondir la connaissance du givrage afin d'adapter les éoliennes pour opérer dans les conditions nordiques. L'objectif principal est de développer des techniques pour évaluer, à long terme, l'impact du givrage sur le fonctionnement d'un projet éolien et d'optimiser des techniques de dégivrage.

Plusieurs études complexes doivent être effectuées avant de proposer un modèle précis capable de réaliser une simulation tridimensionnelle du givrage sur des pales des éoliennes en rotation. Pour atteindre les objectifs, nous avons utilisé des logiciels commerciaux de CFD et l'interface conviviale de MS-Excel pour valider un cas test des simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre. Ces méthodes sont destinées à être appliquées à la simulation en 3D de l'accumulation de glace sur les éoliennes, étant donné que l'étude du givrage du cylindre, pour lequel des résultats analytiques et expérimentaux nombreux sont disponibles pour validation, est fondamentale et pré-requis pour ce domaine de recherche.

La capacité d'un objet à capturer des gouttelettes d'eau dans un écoulement est appelé l'efficacité de collection. Une évaluation de l'efficacité de collection sur un cylindre a été simulée en utilisant une approche Eulérienne basée sur les modèles de turbulence multiphasiques dans ANSYS-CFX. Les résultats ont été validés avec des résultats des approches Lagrangiennes et Eulériennes dans FLUENT ainsi qu'avec des résultats expérimentaux obtenus à partir d'études antérieurs. Les résultats ont démontré l'efficacité des modèles multiphasiques du logiciel CFX à simuler les fractions volumiques d'eau et à définir la zone de collection et les limites d'impact autour du cylindre. Pareillement, un logiciel pour calculer les trajectoires des gouttelettes d'eau dans un écoulement d'air interceptées par un cylindre a été réalisé sous Excel avec un code VBA (Visual Basic for Applications). Cette interface permet de démontrer les différents scénarios pouvant aider à valider les simulations avec CFX. Les deux simulations réalisées avec Excel et CFX ont démontré une cohérence entre le comportement des lignes de courant, des trajectoires et des forces agissant sur les gouttelettes.

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This project has been conducted in the context of intensifying the knowledge of icing on wind turbines to be adapted in Nordic conditions. The main objective is to develop techniques to evaluate the long-term impact of icing on the performance of wind turbine projects and to optimize the de-icing techniques.

Several upstream complex studies are to be conducted prior to propose a precise model capable of achieving a three-dimensional simulation of icing on wind turbine rotating blades. In order to overcome these difficulties, we made use of the high capacity of commercial CFD software, together with the friendly user interface of MS-Excel. The validation of these tools for the ice accretion past a cylinder is the prerequisite for applying these tools for the 3D simulation of icing over wind turbines, given that the study of cylinder icing is fundamental in several areas of icing research.

The ability of an object to capture water droplets presented in an air flow is called collection efficiency. Evaluation of the collection efficiency over a cylinder has been simulated using Eulerian approach based on multi-phase turbulence models in CFX. The results have been validated with those of Lagrangian and Eulerian approaches in FLUENT as well as with experimental results obtained from previous studies. The results showed that the use of ANSYS-CFX multi-phase models was effective in simulating water volume fractions through the domain and in defining the collection zone and the impingement limits around the cylinder. In addition, a code to calculate the trajectories of supercooled water droplets in the air intercepted by a cylinder has been achieved using MS-Excel sheets supported with VBA (Visual Basic for Applications). This interface has been used to demonstrate different scenarios that can help to validate similar simulations using CFX. In both Excel and CFX simulations, the streamlines and trajectories have demonstrated similar behaviour which is consistent with the forces acting on water droplets.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:2012
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:56
ISBN:9781412319218
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie aéronautique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Ilinca, Adrian
Mots-clés:Givrage--Lutte contre, Givrage--Prévention, Éoliennes--Fonctionnement par temps froid, Graphes eulériens, Fonctions de Lagrange, Glace--Formation--Modèles mathématiques, Icing (Meteorology)--Control, Icing (Meteorology)--Prevention, Windmills--Cold weather operation, Eulerian graph theory, Lagrangian functions, Ice formation--Mathematical models
Déposé le:17 avr. 2014 14:08
Dernière modification:17 avr. 2014 18:08
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