Caractérisation expérimentale et numérique du comportement hydrodynamique d’une hydrolienne à membrane ondulante
(Experimental and numerical characterization of the dynamic behavior of an undulating membrane tidal energy converter)

URL d'accès : http://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupver...

Auteur(s):  Träsch, Martin
Date de soutenance : 15/03/2019
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Français
Directeur(s) de thèse :  Germain, Grégory
Laboratoire : Laboratoire Comportement des Structures en Mer (Boulogne-sur-Mer, Pas-de-Calais ; Plouzané, Finistère)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille)

Classification : Sciences de l'ingénieur
Discipline : Mécanique des milieux fluides
Mots-clés : Méthode vortex
Énergie des mers
Énergies renouvelables
Hydroliennes -- Essais -- Modèles mathématiques
Interaction fluide-structure -- Modèles mathématiques
Instabilités hydrodynamiques
Vélocimétrie par images de particules
Similitude (physique)
Prototypes
Modélisation CFD

Résumé : La thèse présentée dans ce document concerne la caractérisation du comportement d’une hydrolienne à membrane ondulante. Ce dispositif novateur utilise les instabilités de flottement d’une membrane semi-rigide précontrainte dans un écoulement pour capter l’énergie des courants marins. À partir d’une certaine vitesse critique de l’écoulement, une onde se propage le long de la structure, ce qui actionne des convertisseurs linéaires fixés sur celle-ci. Un modèle expérimental à échelle réduite 1/20eme est développé et testé en bassin d’essai. Le système de conversion est simulé par des amortisseurs hydrauliques. Les mesures de trajectoire et d’efforts permettent d’analyser la dynamique de la membrane pour un grand nombre de configurations et d’aboutir à une étude paramétrique. Des conditions réalistes d’écoulement sont étudiées, notamment l’influence de la direction du courant et celle de la houle sur le fonctionnement du système. La caractérisation du sillage est effectuée par mesures de vélocimétrie laser en 2D. Les effets d’échelle sont présentés à travers une comparaison des essais en bassin et en mer. Un modèle analytique et un modèle numérique sont développés et comparés avec les résultats d’expériences. Le modèle analytique linéaire est basé sur la théorie des poutres de Euler-Bernouilli et la théorie des profils minces de Lighthill. Il est résolu dans le domaine fréquentiel et donne de bons résultats en termes de fréquence d’ondulation et de vitesse critique. Le modèle numérique est fondé sur le couplage fort entre un code fluide basé sur la méthode vortex et un code structure utilisant les éléments finis en corotationnel. Ce modèle est validé sur un cas expérimental.


Résumé (anglais) : The thesis presented in this document deals with the characterization of the behavior of an undulating membrane tidal energy converter. This kind of device uses the flutter instabilities occurring between a semi-rigid pre-strained membrane and a fluid flow in order to convert the sea currents energy. Above a certain critical flow speed, the structure undulates, thus activating the linear converters fixed on it. In order to study this system, an experimental model is developed and tested in a flume tank. The power conversion system is simulated by hydraulic dampers. The membrane’s dynamics is analyzed in many configurations through trajectory and force measurements, and leads to a parametric study. More realistic flow conditions are also studied, such as the impact of current direction influence and the influence of surface waves on the behavior of the system. Wake characterization is carried out with two-dimensional PIV measurements. Scale effects and confinement are also studied through a comparison with a bigger scale prototype tested in tank and at sea. In addition to the experimental study, an analytical model and a numerical model are developed and compared with experiments. The linear analytical model is based on Euler-Bernouilli’s beam theory and on Lighthill’s slender body theory. It is solved in the frequency domain and gives good undulation frequency and critical speed results. The numerical model uses strong interactions between a fluid code using the vortex method and a structure code based on corotationnal finite elements. This model is validated on an experimental case.


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