Études des vibrations induites par vortex au moyen d'une solution mécatronique : optimisation de la récupération d'énergie

Study of vortex-induced vibrations using a mechatronic solution : optimization of energy extraction

• Auteur / Autrice : Agathe Schmider
• Direction : Laurent Cordier, Franck Kerhervé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 24/01/2023
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Olivier Doaré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Ramananarivo, Caroline Braud, Rémi Bourguet, Grégory Germain
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ramiro Godoy Diana, Frederick Gosselin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Interaction fluide-structure

Énergies renouvelables

Mécatronique

Vibrations induites par vortex

Mots clés libres

Vibrations induites par les écoulements

Vibrations induites par vortex

Mécanique desfluides expérimentale

Interaction fluide-Structure

Extraction d'énergie

Oscillateur amorti virtuel

Flow-Induced vibration

Vortex-Induced Vibrations

Experimental fluid mechanics

Fluid-Structure interactions

Energy harvesting

Virtual damper-Spring

Résumé

Tout corps épais immergé dans un écoulement provoque, sous certains régimes, la formation de structures tourbillonnaires. La dynamique de ces structures peut alors interagir avec celle du corps lorsque ce dernier possède, typiquement, une certaine flexibilité de mouvement et/ou une fréquence propre de résonance. On parle alors d’interaction fluide-structure (IFS), phénomène largement rencontré en pratique et pouvant être à l’origine de vibrations significatives. Parmi les mécanismes d’ IFS largement étudiés, celui de vibrations induites par vortex (VIV), observé dans le cas d’un cylindre circulaire monté de manière élastique et soumis à un écoulement uniforme, est le plus documenté (Williamson & Govardhan 2008). Cette configuration, bien qu’académique, est repré-sentative d’un nombre important de procédés d’ingénierie pour lesquels les vibrations peuvent être considérées comme néfastes (échangeurs thermiques, colonne montante offshore, etc) ou, au contraire, comme source d’inspiration pour l’élaboration de dispositifs d’extraction d’énergie (Bernistas et al. 2008, Lee et al. 2019).Ce manuscrit propose un nouveau dispositif de cylindre oscillant monté de manière élastique sur paliers à air et alliant une solution mécatronique pour l’émulation de différentes valeurs d’amortissement et de raideur. Le dispositif permet également la mise enrotation alternée ou non du cylindre autour de son axe principal. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par la Région Nouvelle-Aquitaine et visant, à long terme, au contrôle du mécanisme de VIV dans un contexte d’extraction d’énergie propre.Le travail, présenté dans cette thèse, concerne : (1) la description du dispositif,(2) la validation de la solution mécatronique, (3) l’analyse fine de la réponse en amplitude et fréquence du système oscillant pour un amortissement négligeable et une raideur donnée, ainsi que de la dynamique du sillage en fonction du régime de l’écoulement,(4) l’effet de l’amortissement et de la raideur sur l’efficacité énergétique du dispositif, et enfin (5) une analyse de l’effet de la fréquence et de l’amplitude de rotation du cylindre sur la plage, dite de synchronisation fluide-structure.L’ensemble des essais a été mené en canal hydraulique à l’Institut Pprime (Poitiers). Les analyses réalisées ont fait appel à des techniques de visualisation par bulles d’hydrogène et de vélocimétrie à images de particules (PIV), ainsi qu’à des outils de post-traitement, tels que l’analyse en moyenne de phase ou encore la décomposition aux valeurs propres (POD).Les résultats obtenus laissent entrevoir de larges perspectives à la fois pour la modélisation et le contrôle des mécanismes de VIV.

Any bluff body immersed in a flow leads, under certain regimes, to the formation of vortex structures. The dynamics of these structures can then interact with that of the body when the latter has typically, a certain flexibility of movement and/or a natural frequency of resonance. This is known as fluid-structure interaction (FSI), a phenomenon that is widely encountered in practice and can be the source of significant vibrations. Among the widely studied FSI mechanisms, Vortex-induced vibrations (VIV), observed in the case of an elastically mounted circular cylinder subjected to a uniform flow, is the most documented (Williamson & Govardhan 2008). This configuration, although academic, is representative of a significant number of engineering applications where vibrations can be considered detrimental (heat exchangers, offshore riser, etc) or, on the contrary, as a source of inspiration for the development of energy extraction devices (Bernistas et al. 2008, Lee et al. 2019).This manuscript presents a new device of oscillating cylinder elastically mounted on air bearings and combining a mechatronic solution for simulating different damping and stiffness values. The device also allows the alternated or constant rotation of the cylinder around its main axis. This work is part of a project funded by the Nouvelle-Aquitaine Region and aiming, in the long term,at the control of the VIV mechanism in a context of clean energy extraction.The work presented in this thesis concerns : (1) the description of the device, (2) the validation of the mechatronic solution,(3) the fine analysis of the response in amplitude and frequency of the oscillating system for a negligible damping and a given stiffness, as well as the dynamics of the wake according to the flow regime,(4) the effect of damping and stiffness on the energy efficiency of the device and finally,(5) an analysis of the effect of the frequency and amplitude of rotation of the cylinder on the range of fluid-structure synchronization. All the tests were carried out in a hydraulic channel at the Pprime Institute (Poitiers). Analysis was performed using hydrogen bubble visualization and particle image velocimetry (PIV) techniques, as well as post-processing tools such as phaseaveraging and eigenvalue decomposition (POD).The results obtained suggest broad perspectives for both the modeling and control of PIV mechanisms.