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Les impacts de la morphologie urbaine sur le vent : performance d'énergie éolienne à l'échelle de quartier

Thèse préparée par Biao Wang

  • École doctorale MEGeP
  • Soutenance prévue le 8 avril 2015
  • Financement : Gouvernement chinois CSC

Encadrement

  • Luc Adolphe (directeur)
  • Léa Cot (co-directrice)

Jury de thèse

  • Luc Adolphe, professeur, INSA Toulouse
  • Léa D.Cot, maître de conférences, INSA Toulouse
  • Christian INARD, professeur, Université de La Rochelle
  • Marjorie MUSY, ingénieur de recherche, Université de Nantes
  • Frédéric Bonneaud, professeur, ENSA-Toulouse

Planning des réunions sur la période 2013-2016

2013:10.10  Présentation de thèse à LMDC

2015.01.13  Présentation de thèse à LRA

Documents produits pour les réunions réalisées

2015-01-07  Manuscrit de thèse, 1er version

2014-10-04  Questions sur la simulation de quartier

2013-11-19  Evaluation des paramètres CFD

2013-10-23  Article manuscrit : Estimation of wind energy over roof

2013-09-16  Questions sur les équations du code ANSYS

2013-07-08  Evaluation des paramètres

2013-06-19  Evaluation et validation

2013-06-13  Best Practice Guidelines

2013-05-26  FLUENT tout les diagrammes

2013-05-21  CFD essai

2013-04-30  CFD essai

2013-04-11  CFD essai

 

Résumé

Ce travail vise à modéliser la propagation du vent par des techniques de simulation de CFD dans des tissus urbains contrastés à l’échelle de quartier, afin d'évaluer les impacts de la morphologie urbaine sur le potentiel énergétique éolien.

    Face aux problèmes environnementaux locaux et globaux, le développement des énergies renouvelables devient de plus en plus urgent à l’échelle mondiale. Notre objectif, est d’adapter la morphologie urbaine au développement du captage de l’énergie éolienne. Pour ce faire, deux questions fondamentales sont posées : Comment évaluer l'énergie éolienne urbaine à l’échelle de quartier (450m*450m) ? Quels sont les impacts de morphologie urbaine sur le vent ?

    Nous partons d’une synthèse bibliographie sur les trois domaines de la morphologie urbaine, de la simulation CFD et du développement de l'énergie éolienne urbaine. Des indicateurs de morphologie urbaine sont ainsi proposés. Les méthodes et résultats de modèles de simulation CFD sur l'écoulement du vent autour de bâtiments sont présentés. Les avantages et les inconvénients des éoliennes urbaines sont discutés. Des nouvelles technologies et des méthodes d'intégration architecturale de petite éolienne sont présentées.

    Pour valider notre modèle de simulation aéraulique, nous commençons par une validation de la simulation numérique à partir de la comparaison des données d’un benchmark issu d'expérimentations en soufflerie avec les résultats du code CFD ANSYS FLUENT. Plusieurs méthodes de vérification avant et après la simulation CFD sont proposées.

Après validation de notre modèle, nous simulons des modèles morphologiques simples. Avec un bâtiment, les impacts de la taille et de la configuration sont étudiés. Avec deux bâtiments et trois bâtiments, les impacts de différents paramètres de configuration sont ensuite analysés. En raison de leur efficacité et de leur faisabilité, l'évaluation énergétique est principalement faite au dessus des toits de bâtiments. Les effets combinés de l’altitude et de la concentration du vent au dessus le toit sont ainsi évalués.

Nous simulons ensuite des modèles morphologiques plus complexes, par l’évaluation de formes urbaines dans six quartiers favorables pour le potentiel éolien dans le monde et représentatifs de formes d’aménagement (Paris, Toulouse, Bombay, Barcelone, New York et Pékin). Des indicateurs morphologiques ayant potentiellement une influence sur l'écoulement du vent sont proposés. Des analyses de cohérence entre ces indicateurs et les valeurs du coefficient d'augmentation de vitesse du vent et de l'indicateur de somme d'énergie éolienne au dessus le toit sont faites. Ces résultats montrent que pour une densité bâtie moyenne (1<COS<3), la surface de toiture disponible a un impact majeur sur le potentiel énergétique éolien. Pour une densité bâtie élevée (COS>3), ce sont les hauteurs des bâtiments et la variation des hauteurs qui ont des impacts les plus importants sur le potentiel énergétique éolienne.

Ensuite, des prototypes de formes urbaines élémentaires provenant de quartiers réels sont étudiés. L’influence de certaines modifications de ces prototypes sur le potentiel éolien est étudiée, et les prototypes les plus favorables pour l'exploitation de l'énergie éolienne sont proposés. L'énergie éolienne dans un quartier réel à Pékin est ensuite évaluée. Des conditions locales (formes physiques, climat, aspects socioéconomiques) sont considérées pour évaluer la faisabilité du développement de l’énergie éolienne. L'emplacement et le choix des techniques d’éoliennes urbaines adaptées sont discutés.

Enfin, une méthode mathématique avec des paramètres morphologiques est présentée pour évaluer le potentiel éolien dessus le toit. L'indicateur de l'impact d'obstacle des bâtiments en amont de la tour d'étude est choisi et défini par des fonctions provisoires.


Mots-clefs

Morphologie urbaine, éolienne urbaine, potentiel éolien, modélisation CFD, modèle de quartier.

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