Éolienne CFD : voir le vent ralentir et lire la puissance récupérée

Une éolienne en CFD fait l'inverse d'une hélice : au lieu de pousser l'air, elle s'en fait pousser et lui prend de l'énergie. Le concepteur Heliciel dessine le rotor et annonce la puissance à l'arbre ; ce cas concret montre, avec le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement), le vent qui ralentit en traversant le rotor, le sillage qui s'élargit derrière, et les deux nombres qui intéressent le concepteur d'une machine à vent : la puissance récupérée et l'effort que le rotor transmet au mât.

Le rotor tripale de 4 m vu en perspective. Les lignes de courant, colorées par la vitesse, passent du vert-jaune (vent libre) au bleu (ralenti) en traversant le rotor, et s'écartent derrière lui : le tube de courant s'élargit. C'est la signature d'une machine qui prend de l'énergie au fluide, l'inverse d'une hélice dont le jet se resserre.

• Au sommaire :

1. La machine et le vent
2. Les deux faces de la pale
3. Le sillage de l'éolienne en CFD : le vent ralentit
4. Puissance et effort sur le mât : les chiffres CFD de l'éolienne
5. À retenir

1 : La machine et le vent

Le calcul CFD a été mené au préréglage Level 5 : 235 000 cellules, 7 min 20 de maillage, puis 1 min 04 pour la première phase (rotor figé, rotation simulée) et 29 minutes pour la seconde (rotor qui tourne réellement), sur un PC de bureau à 6 cœurs. La seconde phase s'est arrêtée seule, forces stabilisées.

2 : Les deux faces de la pale

Le rotor vu face au vent, comme depuis le sol devant la machine. Toute la face exposée est en jaune-rouge : le vent appuie dessus. Le liseré rouge le long des bords d'attaque marque l'endroit où l'air frappe la pale de face.

Le même rotor vu de derrière, côté nacelle. Le dos des pales est bleu, en dépression, surtout vers les bouts de pale. C'est la différence entre les deux faces, appuyée sur le jaune d'un côté et aspirée sur le bleu de l'autre, qui fait tourner le rotor.

Une pale d'éolienne est une aile qui tourne : la face au vent est son intrados, le dos son extrados. Les couleurs disent où l'effort se concentre : vers les bouts de pale, là où la vitesse relative est la plus grande. C'est là que la pale doit être la plus soignée, et c'est là qu'elle s'use.

3 : Le sillage de l'éolienne en CFD : le vent ralentit

Coupe verticale de la vitesse, vue de côté. Le vent arrive de la droite en vert-jaune (vent libre, 5,5 m/s). Derrière le rotor, à gauche, une large zone bleue : le vent a perdu une partie de sa vitesse, c'est l'énergie que le rotor lui a prise. Le sillage ralenti est plus large que le rotor et s'étend loin derrière : une seconde éolienne placée là recevrait moins de vent.

Coupe perpendiculaire à l'axe, juste derrière le rotor : le disque bleu-vert de vent ralenti, entouré du vent libre en jaune-vert. Son diamètre dépasse déjà celui du rotor.

Ces deux images illustrent ce que tout concepteur d'éolienne sait par la théorie et voit rarement : le rotor ne peut pas arrêter le vent, il le ralentit. S'il l'arrêtait, plus rien ne passerait et il ne récupérerait rien. La théorie de Betz situe le meilleur compromis : un vent ralenti aux deux tiers de sa vitesse au passage du rotor, et au tiers loin derrière. Les couleurs de la coupe ne permettent pas de lire ce rapport avec précision ; elles montrent le phénomène, la sonde du banc donne la valeur en chaque point.

4 : Puissance et effort sur le mât : les chiffres CFD de l'éolienne

Le panneau de résultats après la première phase : 223 N de poussée sur les pales, 19,1 N·m de couple, 334 W à l'arbre, coefficient de puissance Cp 0,28. La référence du concepteur est rappelée au-dessus : 231 N et 35,9 N·m. Les pourcentages d'écart du banc portent sur les pales, seules calculées par le concepteur.

Deux résultats très différents dans le même tableau, et il faut les lire séparément :

• La poussée est confirmée à 3 %. C'est l'effort axial que le vent exerce sur le rotor, celui qui charge le mât, les fondations et le palier. Sur les pales, les deux phases de la CFD donnent 223 et 225 N pour 231 N au concepteur ; le moyeu ajoute 6 N, et l'effort total transmis au mât est de 229 à 231 N. Pour dimensionner la structure, c'est le chiffre à prendre, et il est solide.
• Le couple, lui, est nettement plus bas en CFD : 20 N·m contre 36. Le banc l'annonce lui-même dans ses alertes : « couple non fiable ». Sur une éolienne, le couple est une petite différence entre l'effort de pression qui entraîne les pales et leur frottement. Le banc ajoute que « l'hypothèse pleinement turbulente reste discutable » : sur une pale de 28 cm de corde à 5,5 m/s, une partie de la couche d'air collée à la pale est probablement laminaire, ce que le modèle de turbulence ne représente pas. C'est l'explication la plus probable de l'écart, pas une certitude. La puissance CFD n'est donc pas à retenir ici : la puissance nominale reste celle du concepteur, et la CFD vaut pour la poussée, le sillage et les images.

C'est une leçon générale, valable au-delà de ce cas : la CFD n'est pas uniformément fiable sur toutes les grandeurs. Les efforts axiaux, intégrés sur toute la surface, sont robustes ; les couples de machines à faible charge dépendent de détails fins. Le banc CFD d'Heliciel le signale par ses alertes, et cette page le répète pour que personne ne remplace une puissance de catalogue par un couple CFD mal résolu.

5 : À retenir

• Le rotor ralentit le vent, il ne l'arrête pas : la coupe de vitesse montre le sillage bleu, plus large que le rotor, qui s'étend loin derrière.
• La poussée est confirmée à 3 % par la CFD sur les pales, dans les deux phases : 229 à 231 N sur le mât, moyeu compris, pour ce rotor de 4 m à 20 km/h de vent. C'est le chiffre de la structure.
• Le couple CFD est à lire avec l'alerte du banc : sous-estimé ici, il ne remplace pas la puissance du concepteur sur une machine à faible charge.
• Environ 37 minutes au total sur un PC de bureau : 7 min 20 de maillage, puis 30 minutes pour les deux phases du calcul.

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Ces cas concrets accompagnent les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. Pour aller plus loin dans la méthode, la collection technique reste disponible.