Récupération d'énergie et vibrations induites par vortex de structures flexibles

Energy harvesting and vortex-induced vibrations of flexible structures

• Auteur / Autrice : Clément Grouthier
• Direction : Emmanuel de Langre, Sébastien Michelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés libres

Vibrations induites par vortex

Récupération d'énergie

Structure flexible

Oscillateur de sillage

Résumé

Les vibrations induites par vortex (VIV) d'un solide immergé interagissant fortement avec son sillage sont des oscillations auto-entretenues. Les VIV peuvent atteindre des amplitudes significatives lorsque la fréquence du détachement tourbillonnaire est proche d'une des fréquences propres de la dynamique du solide, et constituent donc un mécanisme d'interactions fluide/structure intéressant pour extraire de l'énergie d'un écoulement. Les VIV de structures flexibles sont par conséquent analysées dans cette thèse à la fois numériquement, grâce au concept d'oscillateur de sillage, et expérimentalement. Nous démontrons ainsi qu'il est possible d'extraire efficacement de l'énergie d'un écoulement grâce aux VIV d'un câble. Nous prouvons également que la flexibilité de la structure lui permet d'adapter sa dynamique aux sollicitations fluctuantes du sillage pour extraire efficacement de l'énergie de l'écoulement, grâce à (i) l'excitation de ses différents modes de vibrations, dans le cas d'un câble tendu équipé de récupérateurs d'énergie périodiquement distribués, chapitre 2, ou (ii) l'apparition d'ondes progressives de VIV transportant l'énergie lorsque l'on considère un câble suspendu par un unique récupérateur d'énergie, chapitre 3.

Vortex-induced vibrations (VIV) are self-sustained oscillations of an immersed body strongly interacting with its fluctuating wake. These oscillations may reach significant amplitudes when the vortex shedding frequency is close to one of the solid's natural frequencies. VIV consequently appear as an interesting fluid/structure interaction mechanism for energy harvesting. They are here studied both numerically, using a wake-oscillator model, and experimentally. We first prove that it is actually possible to effectively extract energy out of a flow thanks to the VIV of flexible structures, such as cables. We also prove that the structure's flexibility allows it to adapt its dynamics to the fluctuating forcing of the wake, leading to efficient energy harvesting, thanks to (i) the successive excitations of its different vibrations modes, in the case of a tensioned cable with periodically-distributed energy harvesters, chapter 2, or (ii) the development of traveling vortex-induced waves that can transport energy when a hanging cable with a top harvester is considered, chapter 3.