Analyse expérimentale et simulation numérique de sections de pales pour application aux hydroliennes

Experimental Analysis and Numerical Simulation of Foil Sections for Tidal Turbine Application

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Marchand
• Direction : Jacques-André Astolfi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 01/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest) - Institut de Recherche de l'Ecole Navale (EA 3634)
• Jury : Président / Présidente : Marc Rabaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-André Astolfi, Mohamed Farhat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Pierre Franc, Smaïne Kouidri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydroliennes

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Analyse expérimentale

Simulation numérique

Hydrolienne

Rugosité de surface

Turbulence amont

Bidirectionalité

Experimental analysis

Numerical simulation

Tidal turbine

Surface roughness

Upstream turbulence

Bidirectionality

Résumé

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables, les énergies marines suscitent un grand intérêt. Parmi elles, les courants de marée paraissent constituer une ressource intéressante du fait de la densité de l'eau de mer et de la possibilité de prévoir les oscillations de marée à un endroit donné. Pour une turbine à axe vertical et en accord avec le partenaire industriel, les contraintes à l'échelle de la section de pale incluent la bidirectionnalité de l'écoulement, l'état de surface ainsi que la turbulence amont. La première partie du travail présentée ici s'est donc attachée à étudier deux solutions permettant de répondre à la bidirectionnalité de l'écoulement à l'échelle d'une section de pale. Un profil bidirectionnel spécifique a ainsi été comparé à un NACA 0015 en écoulement directe et inversé. La seconde partie s'est attachée à caractériser l'effet de la rugosité de surface et de la turbulence amont sur les propriétés d'un profil unidirectionnel spécifiquement développé pour les turbines à axe horizontal. Les deux sujets ont été abordés sur des profils académiques 2D, au travers d'une approche expérimentale originale et d'étude numériques. Des calculs tout turbulents et avec prise en compte de la transition ont été comparés à des mesures d'effort par balance, couplés à des observations de l'écoulement par PIV. Le foil bidirectionnel ainsi que le foil NACA en écoulement direct et inversé ont montrés des comportements singuliers qui pénalisent leurs performances dans l'optique d'une utilisation en tant que section de pale. A partir d'une valeur seuil, la hauteur de la rugosité de surface a montré engendrer un changement profond de la nature de l'écoulement autour du foil unidirectionnel. Finalement, il a été observé que la turbulence amont modifiait modérément les propriétés de ce type de foils, mais de façon moins significative à l'échelle de la pale.

In a context of development of renewable energies, there is a growing interest in marine energies. Among them, tidal currents are promising due to the density of seawater and the predictability of tidal oscillations at a given location. For horizontal axis tidal turbines and according to the industrial partner, constraints at the blade section scale include bi-directionality of the flow, surface roughness and upstream turbulence. The first part of the present work studied two solutions to achieve bi-directionality of the flow at the blade section scale. A specific bi-directional hydrofoil was compared to a NACA 0015 in forward and reversed flow. The second part focussed on the effect of surface roughness and upstream turbulence on a unidirectional blade section designed for current turbines. Both studies were carried out on academic two-dimensional hydrofoils, using both numerical investigation and a specifically developed experimental approach. Computations using fully turbulent and transition models were compared to balance force measurements coupled with PIV flow observations. The bidirectional foil as well as the NACA foil in forward and reversed flow, showed specific behaviours that could considerably reduce their performances for a use as a tidal turbine rotor. Roughness height was also observed to deeply change the foil properties, beyond a critical height. Finally, upstream turbulence resulted in moderate performance changes, less significant at the machine scale.