Modélisation numérique d'une structure oscillante en tangage et pilonnement, avec prise en compte de l'interaction Fluide-Structure

Modelling of an oscillating hydrofoil, with a fluid-structure interaction approach

• Auteur / Autrice : Paul Brousseau
• Direction : Sylvain Guillou, Mustapha Benaouicha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides,énergetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 09/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques-André Astolfi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Guillou, Mustapha Benaouicha, Olivier Doaré, M'hamed Souli, Caroline Braud, Abdellatif Ouahsine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Doaré, M'hamed Souli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ailes oscillantes (aérodynamique)

Modèles mathématiques

Simulation par ordinateur

Énergies renouvelables

Énergie des mers

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Énergies Marines Renouvelables

Hydrofoil Oscillant

Fluid-Structure Interaction

Oscillating Hydrofoil

Modelisation

Numerical simulations

Renewables

Résumé

Les politiques de lutte contre les émissions de CO2 étant de plus en plus exigeantes et la demande énergétique étant en constante augmentation, les énergies renouvelables sont perçues actuellement comme devant être un apport important dans le mix énergétique mondial. Parmi elles, l'énergie hydrolienne présente l'avantage d'une intermittence parfaitement connue et très prédictible. La recherche de cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet PoHyCA (Pompe Hydrodynamique pour la Compression d'Air) mené par Segula Technologies. Il consiste à la réalisation d'une pompe hydrodynamique innovante pour la compression de l'air dans un réservoir de stockage, l'objectif final étant la production de l'énergie électrique. La pompe PoHyCA capte l'énergie des courants marins à l'aide d'une structure portante oscillante qui se déplace sous l'effet des efforts hydrodynamiques issues de l'écoulement environnant. On s'intéresse dans ces travaux à l'évaluation de la dynamique de la structure portante déformable. Une approche en interaction fluide-structure (IFS), utilisant un schéma de couplage implicite, est mise en place afin de prendre en compte les déformations de la structure, induites des efforts hydrodynamiques. Le modèle développé prend également en compte les grands déplacements angulaires et verticaux de la structure. Il est d'abord appliqué à une plaque oscillante rigide documentée expérimentalement issue de la littérature, et des résultats similaires sont obtenus. Nous montrons que la flexibilité du profil entraine notamment une diminution de l'aptitude à la propulsion. Le modèle est ensuite appliqué à un hydrofoil soumis à un mouvement oscillatoire de pilonnement et de tangage. Nous montrons que dans certaines configurations, les déformations de la pale peuvent améliorer le rendement énergétique.

As policies to fight greenhouse gas emissions are more and more demanding and as the global energy demand is constantly increasing, renewable energies are currently seen as an important contribution to the global energy mix. Among them, tidal energy has the advantage of a perfectly known and highly predictable intermittency. The present work is part of the PoHyCA (Hydrodynamic Pump for Air Compression) project led by Segula Technologies, consisting in the realization of an innovative hydrodynamic pump for air compression and storage. The final objective is the production of electrical energy. PoHyCA technology captures the energy of sea currents using an oscillating hydrofoil that moves under the effect of hydrodynamic forces from the surrounding flow. This work focus on the evaluation of the dynamics of the deformable hydrofoil. A fluid-structure interaction (FSI) approach, using an implicit coupling scheme, is implemented to account for the deformations of the structure, induced by hydrodynamic forces. The numerical model also takes into account the large pitching and heaving displacements of the structure. It is first applied to a rigid oscillating plate experimentally documented in the literature, and similar results are obtained. We show that the flexibility of the profile leads in particular to a reduction in propulsion capability. The model is then applied to a hydrofoil subjected to an oscillating heaving and pitching motion. We show that in certain configurations, blade deformations can improve energy efficiency.