Ce mémoire présente les travaux réalisés en aérodynamique afin de pouvoir disposer d’une chaîne de conception complète nécessaire au traitement des différentes problématiques sur les pales éoliennes, qui ne peuvent être pris en compte à l’aide d’une méthode unique. Afin de pouvoir faire de l’optimisation de pales en fonction de différents critères, un outil numérique simplifié (VALDAG) a été développé. Le module de simulation utilise la méthode du Disque Actif Généralisé, qui s’appuie sur la résolution des équations Navier-Stokes, complété par des corrections empiriques. Il respecte un compromis entre la précision et le coût de calcul. Cet outil pour lequel une interface web a été développée pour le rendre adapté à des travaux d’ingénierie est susceptible de se calibrer automatiquement sur une nouvelle géométrie de pale grâce à la méthode Nelder-Mead Simplex. On peut ensuite réaliser une optimisation de la performance de la pale en modifiant cette géométrie, et générer les fichiers 3D qui serviront d’entrée à la simulation 3D et de visualisation des optimisations de forme. Ces designs optimisés sont ensuite validés par des simulations DNS à l’aide de l’outil NaSCar 3D développé à l’INRIA. Cet outil résout des équations Navier-Stokes sur un maillage cartésien 3D et prend en compte des obstacles immergés via la fonction Level-Set et la pénalisation. Après des adaptations sur le traitement de la géométrie de pales, un compromis de configuration CFD est trouvé pour simuler un rotor éolien. En conclusion, ce paquet d’outils VALDAG est peu coûteux, facile à utiliser et efficace. En associant VALDAG aux simulations 3D, une chaîne de conception est complétée. / This Ph.D. thesis presents some research work on aerodynamics of wind turbine blades, in order to dispose a conception chain necessary for different problems, which cannot be treated by one unique method. A simplified numerical toolkit (VALDAG) has been developed to optimize the performance of blades in different creteria. The simulation module use the Generalized Actuator Disc model, which relies on the solution of Navier-Stokes equations and completed with empiric corrections. This tool respects a reasonable compromise between model complexity and computational reliability. An automatic calibration mechanism was implemented using the Nelder-Mead Simplex algorithm. A web users interface (WUI) is also available to adapt VALDAG for industrial engineers. Optimization is then carried on by modifying the blades’ geometry parameters and the designs optimized is stocked in files which can be used for 3D simulation and/or visualization. The blade designed with VALDAG are then simulated by a 3D numerical tool to validate previous predictions. This 3D tool called NaSCar 3D is developed in INRIA and resolve Navier-Stokes equations on to a cartesian mesh, in which the immersed obstacles are considered with the Level-Set function and the penalization method. After some necessary adaptation for the treatment of blades’ geometry, a compromise on CFD configuration is found to simulate a wind turbine rotor. To conclude, this design toolkit VALDAG is low time-costly, user-friendly and efficient. Associated with 3D simulations, a conception chain has been established.

Wind turbines have been utilized for centuries to harness energy from the wind. Commercial wind turbine blades are typically made from composite materials, which are difficult to recycle, leading to blades ending up in landfills at the end of their lifecycle. Additionally, these materials contribute to microplastic pollution. In response to growing environmental concerns, there has been an increased focus on addressing such issues. The Swedish company SeaTwirl AB develops offshore vertical-axis wind turbines (VAWT), and this study focuses on optimizing the weight of a blade from a new 10-15 MW VAWT concept using steel as the material. Steel has long been recyclable, making it an interesting material for wind turbine blades. The specific steel used in this study is the ultra-high-strength steel "Strenx 1300" from SSAB, which is not only extremely durable but is also expected to be fossil-free by 2026, by implementation of the manufacturing technology HYBRIT. The study found that a single blade made from Strenx 1300, when designed and optimized for 35 years of operational use, would weigh approximately 193.4 tonnes and would require 6016.8 meters of welds with a fatigue class of FAT 125. A rough estimation of the weight of a fiberglass VAWT of the same size resulted in approximately 300 tonnes. Therefore, this study concludes that it may be feasible to construct a commercially competitive VAWT blade using environmentally friendly, fossil-free steel. This approach would make wind energy a more sustainable energy source without the problems of recyclability and microplastic pollution. / Vindkraftverk har använts i århundraden för att utvinna energi från vinden. Kommersiella vindkraftverksblad tillverkas vanligtvis av kompositmaterial, vilket är svårt att återvinna och leder till att bladen hamnar på soptippar vid slutet av deras livscykel. Dessutom bidrar dessa material till mikroplastföroreningar. Som svar påväxande miljöproblem har det därför blivit ett ökat fokus på denna typ av frågor. Det svenska företaget SeaTwirl AB utvecklar vertikalaxliga vindkraftverk (VAWT) för offshore-användning, och denna studie fokuserar på att optimera vikten av ett blad från ett nytt 10-15 MW VAWT-koncept med stål som material. Stål har länge varit återvinningsbart, vilket gör det till ett intressant material för vindkraftverksblad. Det specifika stål som används i denna studie är det höghållfasta stålet "Strenx1300" från SSAB, som inte bara är extremt hållbart, men också förväntas bli fossilfritttill 2026, tack vare implementeringen av tillverkningsteknologin HYBRIT. Studien visade att ett enskilt blad tillverkat av Strenx 1300, när det är utformat och optimerat för 35 års driftstid, skulle väga cirka 193,4 ton och kräva 6016,8 meter svets med en utmattningsklass FAT 125. En grov uppskattning av vikten av en VAWT av samma storlek i glasfiber resulterade i cirka 300 ton. Därför drar denna studie slutsatsen att det kan vara möjligt att konstruera ett kommersiellt konkurrenskraftigt VAWT-blad med miljövänligt, fossilfritt stål. Detta tillvägagångssätt skulle göra vindenergi till en mer hållbar energikälla utan problemen associerade med återvinning och mikroplaster.

No description available.