Simulation numérique de l'accrétion de glace sur une pale d'éolienne

Le nord du Québec est un endroit approprié pour la construction des parcs éoliens. La région bénéficie de forts courants d'air et les températures froides font augmenter la densité de l'air, ce qui multiplie le potentiel éolien disponible. Cependant, la rentabilité des parcs éoliens en exploitation dans les milieux nordiques est affectée par les événements givrants fréquents qui caractérisent ce type de climat. Le brouillard combiné avec une basse température provoque une accumulation de glace sur les pales des éoliennes entraînant des pertes dans la production. La glace modifie l'aérodynamique des pales réduisant l'efficience de la turbine, et dans les pires cas, entraîne son arrêt pour éviter des bris mécaniques. La présence de glace peut aussi réduire la durée de vie de l'éolienne, car sa distribution non uniforme sur les pales génère des vibrations. Afin d'évaluer l'impact de l'accumulation de glace sur la rentabilité des parcs éoliens, les chercheurs dans le domaine travaillent depuis quelques années à analyser les effets de la glace sur les pales. Principalement, en effectuant des tests en soufflerie. Cependant, les budgets sont limités dans ce domaine et les coûts associés aux tests en soufflerie sont élevés, surtout si elle est réfrigérée. Dans ce contexte, une alternative pour pallier les coûts est le recours à la simulation numérique. Celle-ci permet de considérer aisément plusieurs conditions givrantes, contrairement aux tests expérimentaux qui sont limités par la taille de la soufflerie. Ainsi, il est important que les chercheurs dans le domaine de l'énergie éolienne aient accès à des programmes informatiques de simulation afin de déterminer plus facilement les effets négatifs de l'accrétion de glace sur les éoliennes en exploitation dans un climat nordique. Dans un contexte parallèle, l'industrie aéronautique a développé plusieurs programmes pour la simulation numérique de l'accrétion de glace sur les ailes d'avion. Malheureusement, la grande majorité de ces programmes ne sont pas disponibles pour le reste de la communauté scientifique. Aussi, ces outils ont été développés et validés pour les conditions de vol des avions qui sont complètement différentes des conditions d'opération d'une éolienne.

Abstract

The wind energy industry is growing steadily, and an excellent place for the construction of wind farms is northern Quebec. This region has huge wind energy production potential, as the cold temperatures increase air density and with it the available wind energy. However, some issues associated with arctic climates cause production losses on wind farms. Icing conditions occur frequently, as high air humidity and freezing temperatures cause ice to build up on the blades, resulting in wind turbines operating suboptimally. One of the negative consequences of ice accretion is degradation of the blade's aerodynamics, in the form of a decrease in lift and an increase in drag. Also, the ice grows unevenly, which unbalances the blades and induces vibration. This reduces the expected life of some of the turbine components. If the ice accretion continues, the ice can reach a mass that endangers the wind turbine structure, and operation must be suspended in order to prevent mechanical failure. To evaluate the impact of ice on the profits of wind farms, it is important to understand how ice builds up and how much it can affect blade aerodynamics. In response, researchers in the wind energy field have attempted to simulate ice accretion on airfoils in refrigerated wind tunnels. Unfortunately, this is an expensive endeavor, and researchers' budgets are limited. However, ice accretion can be simulated more cost-effectively and with fewer limitations on airfoil size and air speed using numerical methods. Numerical simulation is an approach that can help researchers acquire knowledge in the field of wind energy more quickly. For years, the aviation industry has invested time and money developing computer codes to simulate ice accretion on aircraft wings. Nearly all these codes are restricted to use by aircraft developers, and so they are not accessible to researchers in the wind engineering field. Moreover, these codes have been developed to meet aeronautical industry specifications, which are different from those that must be met in the wind energy industry. Among these differences are the following: wind turbines operate at subsonic speeds; the cords and angles of attack of wind turbine blades are smaller than those of aircraft wings; and a wind turbine can operate with a larger ice mass on its blades than an aircraft can.