Optimisation des performances aérodynamiques de l’éolienne en spirale d’Archimède : analyse expérimentale et CFD combinée des effets du rapport de pas et du nombre de pales

Pourquoi une nouvelle forme d’éolienne importe

Alors que les villes recherchent des sources d’énergie plus propres, l’énergie éolienne semble un choix évident. Pourtant, les grandes éoliennes à trois pales, courantes dans les champs ouverts, peinent dans les environnements urbains encombrés où les vents sont plus lents, plus chaotiques et changent constamment de direction. Cet article explore une machine différente — l’éolienne en spirale d’Archimède — qui a la forme d’une coquille spiralée. Les chercheurs posent une question pratique : comment doit-on régler la géométrie de la spirale et le nombre de pales pour que cette éolienne fonctionne efficacement et de manière fiable dans des vents urbains réels et à faible vitesse ?

Une éolienne en spirale conçue pour les vents urbains

L’éolienne en spirale d’Archimède (ASWT) est une petite éolienne à axe horizontal dont les pales s’enroulent autour de l’arbre central en une spirale lisse, plutôt que de s’étendre droit vers l’extérieur. Cette forme lui permet de capter le vent venant de plusieurs directions et de démarrer même lorsque les rafales sont faibles et instables — des conditions typiques entre les bâtiments. Cependant, la même conception en spirale et multi-pales qui aide à basse vitesse peut aussi augmenter la résistance à l’air et les charges structurelles, limitant le rendement maximal. L’étude se concentre sur la recherche d’un compromis où l’éolienne démarre facilement et fonctionne de manière stable, tout en convertissant autant que possible l’énergie du vent en puissance utile.

Accorder la forme de la spirale

Un élément clé du design de cette éolienne est la vitesse à laquelle la spirale « se déroule » le long de l’arbre, contrôlée par deux longueurs appelées Pas 1 et Pas 2. Leur rapport (S1/S2) détermine si les pales sont plus fortement courbées ou plus étirées. Pour étudier cet effet sans introduire d’autres variables, l’équipe a maintenu la taille et les proportions globales du rotor constantes, ne changeant que S1/S2 sur six versions. Ils ont construit des modèles 3D, réalisé des simulations détaillées d’écoulement d’air, puis testé des modèles physiques correspondants en soufflerie à des vitesses réalistes de 5 à 10 mètres par seconde. Toutes les versions ont atteint leur meilleure performance dans un régime de rotation similaire, mais une configuration intermédiaire (nommée PR-5) s’est nettement distinguée, atteignant la puissance la plus élevée en guidant l’air plus harmonieusement le long de la pale sans provoquer une traînée excessive.

Trouver le bon nombre de pales

Avec la forme de la spirale fixée à ce réglage optimal, les chercheurs ont ensuite examiné combien de pales l’éolienne devait porter — testant deux, trois, quatre, cinq et six pales. Plus de pales offrent une plus grande surface sur laquelle le vent peut exercer une poussée, ce qui aide l’éolienne à démarrer à basse vitesse et à produire un couple régulier. Mais ajouter trop de pales épaissit aussi le rotor, augmentant la turbulence et les frottements dans l’air, ce qui peut réduire l’efficacité une fois que la machine tourne plus vite. Les simulations et les mesures en soufflerie ont montré un schéma clair : la version à trois pales offrait le meilleur compromis global, atteignant un coefficient de puissance maximal d’environ 0,264 à un rapport vitesse de pointe/modérée, tandis que les versions à plus de pales souffraient d’une traînée accrue et de sillages désordonnés derrière le rotor. Le modèle à deux pales s’en est montré un peu meilleur à des vitesses de rotation élevées, mais moins performant au vent faible.

Regarder à l’intérieur de l’écoulement

Pour comprendre pourquoi ces différences apparaissent, l’équipe a examiné des cartes détaillées de pression et de vitesse autour des pales. Dans le design à trois pales le plus réussi, l’air s’accélérait de manière régulière sur le côté aspiration de chaque pale et ralentissait sur le côté opposé, créant une forte et homogène différence de pression qui entraîne la rotation. Le sillage derrière l’éolienne restait compact et relativement ordonné, signe d’une extraction d’énergie efficace avec une turbulence modérée. En revanche, le rotor à deux pales présentait des sollicitations plus faibles et plus irrégulières, tandis que les rotors à cinq ou six pales produisaient des zones de pression qui se chevauchaient et des sillage larges et lents — signes que l’air était surchargé et qu’une grande partie de la surface supplémentaire des pales gênait davantage qu’elle n’aidait.

Ce que cela signifie pour l’énergie éolienne urbaine

En termes concrets, l’étude montre que l’éolienne en spirale d’Archimède peut être réglée pour bien fonctionner là où les grandes éoliennes traditionnelles peinent : dans des vents urbains bas et changeants. En réglant soigneusement la vitesse d’ouverture de la spirale (le rapport S1/S2) et en optant pour une configuration à trois pales, les concepteurs peuvent obtenir un rotor compact qui démarre facilement, tourne de manière stable et convertit une part respectable de l’énergie du vent en électricité — sans systèmes de direction complexes. Bien que son rendement de pointe reste inférieur à celui des grandes turbines de champ, ce design en spirale optimisé offre une option prometteuse pour les toits et la production distribuée à petite échelle, et fournit une base solide pour des améliorations futures de la forme, de la structure et des matériaux.

Citation: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

Mots-clés: éolienne urbaine, rotor en spirale d’Archimède, optimisation du nombre de pales, mécanique des fluides numérique, énergie éolienne à petite échelle