Simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre

RESUME: Ce projet s'inscrit dans des etudes pour approfondir la connaissance du givrage atmospherique afin d'adapter les eoliennes aux conditions d'exploitation en climat nordique. L'objectif principal est de developper des techniques pour evaluer, a long terme, l'impact du givrage sur le fonctionnement des turbines eoliennes et d'optimiser les techniques de degivrage. Plusieurs etudes complexes doivent etre effectuees avant de proposer un modele precis, capable de realiser une simulation tridimensionnelle du givrage sur des pales des eoliennes en rotation. Pour atteindre les objectifs, nous avons utilise 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 methodes sont destinees a etre appliquees a la simulation en 3D de l'accumulation de glace sur les eoliennes, etant donne que l'etude du givrage du cylindre, pour lequel des resultats analytiques et experimentaux nombreux sont disponibles pour validation, est fondamentale et prerequise pour ce domaine de recherche. La capacite d'un objet a capturer des gouttelettes d'eau dans un ecoulement est appelee l'efficacite de collection. Une evaluation de l'efficacite de collection sur un cylindre a ete simulee en utilisant une approche Eulerienne basee sur les modeles de turbulence multiphasiques dans ANSYS-CFX. Les resultats ont ete valides avec des resultats des approches Lagrangiennes et Eulerielmes dans FLUENT ainsi qu'avec des resultats experimentaux obtenus a partir d'etudes anterieures. Les resultats ont demontre l'efficacite des modeles multiphasiques du logiciel CFX a simuler les fractions volumiques d'eau et a definir la zone de collection et les limites d'impact autour du cylindre. Pareillement, un logiciel pour calculer les trajectoires des gouttelettes d'eau interceptees dans un ecoulement d'air par un cylindre a ete realise sous Excel avec un code VBA (Visual Basic for Applications). Cette interface permet de demontrer les differents scenarios pouvant aider a valider les simulations avec CFX. Les deux simulations realisees avec Excel et CFX ont demontre une coherence entre le comportement des lignes de courant, des trajectoires et des forces agissant sur les gouttelettes. --ABSTRACT: This project has been conducted in the context of intensifying the knowledge of atmospheric 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 caIled 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 weIl 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.