Exercice : Avez-vous compris l'impact des interactions aérodynamiques ?

Pour mieux comprendre les effets des interactions, prenons le cas d'un pétrolier équipé de 4 rotors identiques disposés en un ensemble rectangulaire.

Ecoulement induit sur le pont d'un navire équipé de 4 rotorsInformations[1]

Le champ d'écoulement induit est illustré pour un TWA de 65°(AWA = 45°, AWS = 16,5 m/s).

Les angles (AWA) et les vitesses (AWS) du vent subis par chacun des rotors sont indiqués.

Les polaires de force propulsive développée pour chaque rotor sont présentées ci-dessous :

Polaires de force propulsive développée pour chaque rotorInformations[2]

TWS= 24 nœuds, Vs= 12 nœuds.

  • (a) écoulement potentiel

  • (b) écoulement potentiel et visqueux

Question

Quel(s) rotor(s) bénéficie(nt) le plus largement des effets d'interaction ?

Solution

On peut voir que les rotors avant, c'est-à-dire les numéros 1 et 4, bénéficient largement de l'interaction avec les autres rotors, tandis que les rotors 2 et 3 en souffrent.

RemarqueInteractions visqueuses

La diminution des performances des rotors dans une trajectoire visqueuse peut être observée :

  • Rotor 1 \(\simeq\) 120° TWA, lorsqu'il se trouve sous le vent du rotor 3

  • Rotor 4 \(\simeq\) 240° TWA, lorsqu'il se trouve sous le vent du rotor 2

Question

Quel impact cette répartition des forces aura-t-elle sur le navire ? Que pouvez-vous en déduire ?

Solution

Puisque certains rotors gagnent en performance et que d'autres en souffrent, l'emplacement du centre d'effort est fortement influencé, ce qui impactera l'équilibre de route.

Question

Quelles seraient les allures des polaires des rotors si l'on négligeait les effets des interactions ?

Solution

Si on négligeait les effets des interactions aérodynamiques, les polaires des 4 rotors seraient identiques à la polaire de couleur bleue.

Autrement dit, la force propulsive de l'ensemble serait 4 fois plus grande que celle développée par un seul rotor.

Question

Que pouvez-vous en déduire en ce qui concerne l'effet des interactions aérodynamique sur la force propulsive d'un ensemble de rotor ?

Solution

Du fait des interactions aérodynamiques, la force propulsive totale n'est pas égale à la somme des forces propulsives développées par chaque rotor.

RemarqueAugmentation de la poussée totale

On remarque que la poussée totale des quatre rotors est légèrement augmentée (de l'ordre de 1%) si l'on tient compte de la seule interaction potentielle.

Cette augmentation peut être expliquée par la circulation qui se construit autour de l'ensemble des rotors, comparable à la circulation autour de la voile d'avant et de la voile principale d'un voilier.

Il s'agit donc là d'une interaction positive.

Néanmoins, il convient de noter que les forces latérales créées par les profils sont également augmentées, ce qui peut limiter le bénéfice réel apporté.

Question

Selon vous, que peut-on faire en navigation afin de limiter les effets nuisibles des interactions aérodynamiques entre des rotors ?

Solution

Pour compenser ces effets, on peut modifier les réglages des rotors, c'est à dire leur spin ratio.

On voit ici que lorsque TWA = 60° et TWS= 15 nœuds, le SR est compris entre 1 et 1,5 pour le rotor bâbord. Le tribord devra quant à lui adopter un SR proche de 2 afin de limiter les effets néfastes des interactions sur la conduite du navire.

Remarque

Les rapports de rotation des rotors sont généralement plus faibles par rapport au cas d'un rotor unique, sans effet d'interaction donc.

Le compromis est qu'un rapport de rotation plus faible signifie une poussée plus faible mais aussi moins d'effets d'interaction nuisibles

Question

Quel enseignement peut-on tirer de cet exemple si on le généralise à tous les types de systèmes éoliens ?

Solution

FondamentalImportance des réglages

L'ajustement des réglages de chaque profil doit dont être optimisé en tenant compte des effets d'interactions. La majorité des systèmes éoliens étant automatisés, il est fondamental que les stratégies de réglages tiennent compte de ces effets.