Shuo Zhang

Cette thèse se concentre sur la structure du sillage et les performances des systèmes à double rotor pour micro-éoliennes à haut serrage. Elle vise à explorer un mécanisme de récupération efficace de l'énergie résiduelle présente dans le sillage en rotation. Dans des conditions de fonctionnement à faible vitesse spécifique (lambdaapprox1), une part importante de l’énergie cinétique rotationnelle reste non convertie dans le sillage des micro-éoliennes. Une étude expérimentale a donc été conçue et réalisée, incluant des essais de performance en rotor seul, des mesures de champ d’écoulement, ainsi qu’une analyse comparative des performances et de la structure du sillage de systèmes à double rotor selon différents sens de rotation (corotation / contrarotation) et espacements axiaux.L’expérimentation a été conduite dans une soufflerie de type Pandtl du laboratoire LIFSE avec un système SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) permettant de mesurer les champs de vitesses axiale, tangentielle, ainsi que l’intensité de turbulence. Les rotors ont été conçus selon la méthode de la grille d’aube, avec application de la loi du tourbillon pour maîtriser la distribution des vitesses tangentielles. Les essais ont d’abord porté sur un rotor unique fonctionnant à la vitesse spécifique lambdaconception=1,0, avec caractérisation du sillage jusqu’à 15 rayons de rotor. Une analyse comparative a ensuite été menée pour différents rapports de vitesse spécifique. Par ailleurs, les configurations avec le rotor face au vent et sous le vent ont été comparées. Pour le système à deux rotors, des configurations corotative et contrarotative ont été testées à des distances interrotor typiques (3, 6 et 12 fois de rayon). En complément, l’effet de l’optimisation de l’angle géométrique des pales du rotor arrière a été étudié dans la région du sillage proche (d∗leq1).Les résultats montrent que la configuration contrarotative permet d’améliorer les performances globales du système. Dans la région de sillage lointain (distance inter-rotors geq6 fois de rayon), le coefficient de puissance peut être augmenté jusqu’à 17~% par rapport à la configuration de rotor seul. Dans la région proche, ce gain peut atteindre 24~% par l’ajustement de l’angle d’installation du rotor arrière, de manière à correspondre au triangle de vitesse généré par le rotor amont. À partir de ces résultats, une stratégie de conception du rotor arrière est proposée, basée sur un retour d’information des vitesses rotationnelles du sillage.Cette étude fournit une base théorique nouvelle ainsi que des données expérimentales pour l’exploitation de l’énergie résiduelle dans le sillage des éoliennes à haute solidité fonctionnant à faible nombre de Reynolds. Elle présente un intérêt majeur pour l’optimisation des micro-systèmes éoliens dans les applications urbaines d’énergie décentralisée.

This paper presents a parametric experimental study of a dual-rotor wind turbine system operating at low tip-speed ratios of the order of 1. The flow-field in the wake of such a multibladed-high solidity micro-scale wind turbine is measured and characterized at distances up to 15Rt, with Rt=70 mm being the tip radius of the turbine. At the best operating point of a single rotor, the near wake presents, on the one hand, an axial velocity deficit of the order of 40% of the infinite upstream velocity and, on the other hand, an average tangential velocity of the order of 30% of it. The far wake recovery is almost achieved at 15Rt, but tangential velocity of the order of 10% remains. The performances of two identical corotating and counter-rotating wind turbines separated by distances in the range 3Rt to 12Rt are then experimentally studied. The counter-rotating configuration gives 6% more power than the corotating configuration at the shortest distance 3Rt. However, the velocity field analysis reveals notable interference between the front and rear rotors, degrading the performance of the first turbine. This study provides an experimental foundation that guides in designing an optimized system in terms of tip-speed ratios of the rotors and the distance between them.

This study investigates the aerodynamic performance and wake characteristics of a micro horizontal axis wind turbine by combining computational fluid dynamics simulation with Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) experiments. The micro wind turbine adopts an high solidity cascade design, which is suitable for low Reynolds number conditions. The study evaluates the performance and wake characteristics of this type of wind turbine. The CFD analysis, based on a Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) approach using the k-ε turbulence model, includes the evaluation of power and torque coefficients, as well as the velocity field in the wake region. The wake structures predicted by the CFD show strong agreement with the SPIV measurements, particularly in the axial and tangential velocity distributions. In addition, the power coefficient derived from CFD simulations exhibits good consistency with the experimentally measured values obtained from torque-based power measurements, with a relative error of approximately 3.75%. The study provides a theoretical basis for the design optimization of micro wind turbines, especially in the blade cascade design, which helps to improve the performance and efficiency of distributed wind energy systems.