Développement d’un prototype de récupération de l’énergie des courants (hydrolienne à axe vertical) à l’aide d’une approche couplée (numérique/expérimentale)

Development of a current energy conversion device (vertical axis marine turbine) with a coupled approach (numerical/experimental)

• Auteur / Autrice : Mathilde Belhache
• Direction : Jean-Régis Angilella, Sylvain Guillou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Billard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Régis Angilella, Sylvain Guillou, Jean-Yves Billard, Thierry Maître, Elie Rivoalen, Philippe Sergent, Jean-Luc Harion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Maître, Elie Rivoalen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Simulation par ordinateur

Hydroliennes

Prototypes

Résumé

L’objectif de ce travail est la caractérisation du fonctionnement d’un nouveau concept de rotor à axe vertical breveté en 2009. L’innovation propose une machine capable d’exploiter les deux composantes de la force hydrodynamique, radiale et tangentielle, qui s’appliquent sur chaque pale. Pour cela, la possibilité est donnée aux pales de se mouvoir dans la direction radiale (le long du bras). La problématique est abordée à partir d’une double approche numérique et expérimentale. Une maquette d’hydrolienne tripale a été conçue et testée dans un canal à courant. Le comportement de la machine est étudié en considérant différents régimes d’écoulement et en faisant évoluer le débattement radial des pales au moyen d’un système élastique. Des essais à débattements radiaux nuls ont également été menés afin de comparer les performances du nouveau rotor à celles d’un rotor de type Darrieus classique. Une étude numérique 2D a été réalisée conjointement afin d’accéder aux détails de l’écoulement et de comprendre les processus clés du fonctionnement de la turbine. En combinant diverses techniques de maillage dynamique, un algorithme permettant de calculer les quatre degrés de liberté de la machine à partir des efforts hydrodynamiques a été développé. Il permet de retrouver divers comportements observés lors de l’étude expérimentale et apporte des informations cruciales quant à l’influence du mouvement radial sur la dynamique globale du rotor.

The aim of this work is to characterize the dynamics of a vertical axis turbine, based on novel concepts and patented in 2009. In contrast with classical Darrieus rotors, this machine takes advantage of both the azimuthal and the radial components of the hydrodynamic force. To achieve this, the blades are allowed to move in the radial direction (along the support arm). The study was conducted by combining numerical and experimental approaches. A three-bladed turbine prototype was build and tested in a water channel. The machine behaviour was studied for varying flow regimes, and the amplitude of the radial path of the blades was controled by means of an elastic system. Experimental tests in the absence of radial motion were also conducted in order to compare the performances of the new rotor with those of a classic Darrieus rotor. A 2D numerical study was also conducted in order to access the details of the flow structure and to improve our understanding of the dynamics of the blades. By combining several dynamic meshing techniques, an algorithm allowing the calculation of the four degrees of freedom of the turbine from the hydrodynamic forces has been developed. It enables to recover various behaviours observed in the experimental analysis, and brings valuable information about the effect of the radial motion on the global dynamics of the turbine.