Propulsion par cerf-volant : envol et pérégrinations

Kite propulsion : rise and wander

• Auteur / Autrice : Emmanuel Du Pontavice
• Direction : Christophe Clanet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 27/04/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Rabaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Clanet, Anette E. Hosoi, David Quéré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Roman, François Gallaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Stabilité

Navires -- Propulsion

Glisse aérotractée

Mots clés libres

Cerf-Volant

Propulsion

Stabilité

Kite

Propulsion

Stability

Résumé

Les cerf-volants existent depuis l'Antiquité, mais leur utilisation comme moyen de récupération de l'énergie éolienne est relativement récente. Pourtant, leur légèreté et leur capacité à aller chercher les vents forts et réguliers en altitude en font un dispositif compétitif pour produire de l'électricité ou pour tracter des navires commerciaux. En effet, un cerf-volant peut espérer produire plus de 10 kW.m^{-2}. Cela implique qu'un cerf-volant de 1000 m^2 pourrait apporter une assistance substantielle (typiquement 20%) à la propulsion des plus gros cargos actuels. Cette thèse s'intéresse à deux problèmes associés au développement de tels cerf-volants:Comment les faire décoller et atterrir de manière autonome et sans risque de les perdre? L'utilisation de cerf-volants à structure gonflable donne l'avantage d'avoir une aile rigide et légère en vol et compacte lors de son stockage. Pour aider au dimensionnement de ces cerf-volants, nous étudions dans le première partie de la thèse le comportement des structures gonflables soumis à des chargements statiques et dynamiques.Comment s'assurer de son vol stable? Une fois qu'il a décollé, un cerf-volant doit pouvoir rester en l'air. Il apparait cependant que dans certaines conditions, les cerf-volants entrent dans des oscillations de grandes amplitudes avant de tomber au sol. Grâce à des expériences en soufflerie, nous étudions dans la seconde partie de la thèse l'origine de ces oscillations et les conditions à réunir pour les éviter.

Kites exist since ancient times, but their use as wind energy harvesting device is relatively recent. Still, their light weight and ability catch strong and steady winds in altitude make them a competitive mean to generate electricity or to tow commercial ships. Indeed, a kite can typically produce 10 kW.m^{-2}. This implies that a 1000 m^2 kite could provide substantial assistance (20%) to the propulsion of the biggest current tankers. This thesis focuses on two issues associated with the development of such kites:How can one perform autonomous take off and landing without the risk of losing them? Kites with inflatable structures take advantage rigidity and lightness during flight and from high compactness during storage. It also allows them to float if they crash on the ocean. To design those kites, we study in the first part of the thesis the behavior of inflatable structures under static and dynamic loadings.How can one achieve a stable flight? Once it takes off, it appears that under certain conditions, the kites undergo large amplitude oscillations that eventually lead to their fall onto the ground. Using wind tunnel experiments, we examine in the second part of the thesis the origin of these oscillations and the conditions which prevent them from occurring.