Modélisation de l’interaction entre hydroliennes et le courant dans un courant de marée comme celui du Raz Blanchard

Modelling the flow interactions between tidal stream turbines at high tidal current velocities : Application to the Raz Blanchard

• Auteur / Autrice : Van Thinh Nguyen
• Direction : Sylvain Guillou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Constituants élémentaires et physique théorique
• Date : Soutenance en 2015
• 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 : Abdellatif Ouahsine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Guillou, Abdellatif Ouahsine, Elie Rivoalen, Jean-Luc Achard, Philippe Sergent, Jérôme Thiébot, Alina Santa Cruz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elie Rivoalen, Jean-Luc Achard, Philippe Sergent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Sillage (dynamique des fluides)

Hydrodynamique

Hydroliennes

Mécanique des fluides

Résumé

Parmi les sources d’énergies provenant de la mer, l’exploitation des courants de marée présente un intérêt particulier, notamment dans le Cotentin avec la présence du Raz Blanchard (le deuxième courant le plus fort au monde). Les méthodes d’évaluation et d’optimisation de l’exploitation de cette ressource doivent encore être améliorées. En particulier, elles doivent mieux prendre en compte les effets de la turbulence sur les interactions entre un courant de marée et des hydroliennes disposées en parc. Dans cette thèse une méthodologie de simulation basée sur l’utilisation de l’Actuator Disk (AD) est mise en place. Elle consiste à simuler la présence de l’hydrolienne à axe horizontal par un disque poreux de résistance équivalente. Le modèle est confronté à des mesures en canal effectuées dans le sillage d’un disque poreux placé dans un courant. Nous utilisons une approche de type Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS) et comparons les résultats de plusieurs modèles de turbulence à deux équations et plus (k- Standard, k- Realizable, k- SST, RSM). Les simulations sont effectuées sans puis avec un terme source. Les simulations sont ensuite effectuées à l’échelle d’une turbine placée dans le courant du Raz Blanchard ce qui permet d’étudier l’effet de l’orientation du courant sur la production d’énergie d’un parc pilote. Enfin, nous abordons la modélisation d’une machine à axe vertical (de type Darrieus) par une méthode proche de l’AD associée à l’approche RANS. Cela permet de prévoir les forces qui s’exercent sur les pales et les vitesses dans le sillage. La validation avec des mesures donne des résultats encourageants.

Among the existing marine renewable energies, the exploitation of tidal current raises a particular interest in the Cherbourg peninsula where the Raz Blanchard, the world's second strongest current, is located. The reliability of the methods used to optimize the arrangement of tidal turbines within a tidal farm must be improved. A particular attention should be paid to the modelling of the turbulence because it strongly affects the interactions between the turbines and the local currents. In this thesis, a methodology based on the Actuator Disk (AD) concept is established. The tidal turbine is represented by a porous disk having a given thrust. The model results are compared to experimental measurements carried out in the wake of a porous disk placed in a laboratory flume. Several turbulence models such as the Standard k-ε and Realizable k-ε models, the SST k-ω model and the Reynolds Stress Model (RSM) are compared. Simulations are performed without and with a source term for Turbulent Kinetic Energy respectively. Simulations are then carried out with one turbine placed in a flow representative of the hydrodynamic conditions of the Raz Blanchard. It permits to investigate the effect of a time-varying current direction on the energy produced by a pilot farm. Finally, a method similar to the AD associated to the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS) is applied to simulate a Darrieus turbine. The model successfully predicts the forces exerted on the blades and the velocities in the wake. It constitutes a first step towards realistic applications intending to optimize the arrangement of vertical axis turbines in a tidal farm.