Étude expérimentale de la turbulence dans les zones à forts courants et de son impact sur les hydroliennes
(Experimental study of the turbulence in high flow velocity areas and its impact on tidal turbines)

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

Auteur(s):  Ikhennicheu, Maria
Date de soutenance : 18/10/2019
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Français
Directeur(s) de thèse :  Germain, Grégory ; Druault, Philippe
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 : Essais en bassin de houle
Raz Blanchard
Hydroliennes
Sillage (dynamique des fluides)
Turbulence
Vélocimétrie laser Doppler
Vélocimétrie par images de particules
Décomposition orthogonale aux valeurs propres
Bathymétrie
Courants marins -- Manche (mer)

Résumé : Les eaux françaises présentent un fort potentiel pour des applications hydroliennes. Dans ces zones à forts courants, d'intenses fluctuations de vitesse sont observées dans la colonne d’eau. Elles proviennent essentiellement des variations bathymétriques du fond marin et peuvent avoir un fort impact sur la production d’énergie et la fatigue des turbines. Afin de comprendre la génération de structures tourbillonnaires dans le sillage d’obstacles et de constituer une base de données pour des études numériques, les conditions rencontrées dans le Raz-Blanchard sont reproduites expérimentalement, dans un bassin à houle et à courant, en similitude de Froude et avec un nombre de Reynolds aussi élevé que possible. Dans cette étude, les variations bathymétriques réelles sont représentées à l'aide d'éléments canoniques : un cube, un cylindre, un plan incliné ou des combinaisons des trois. On distingue alors les variations bathymétriques supérieures à la moyenne (obstacle unique) des cas de rugosités moyennes (combinaison d’obstacles). Afin de caractériser le sillage derrière ces obstacles et d'étudier l’évolution de la turbulence dans la colonne d’eau, des mesures PIV et LDV sont réalisées pour différents taux de turbulence de l'écoulement amont. Les résultats montrent que le cylindre seul produit le sillage le plus étendu. Dans ce cas, de larges structures tourbillonnaires, remontant jusqu’à la surface, sont identifiées. Le développement de méthodes de traitement et d'analyse des données permettent de détecter les centres tourbillonnaires et de déterminer les propriétés de ces tourbillons. L'impact du sillage du cylindre sur le fonctionnement d’une hydrolienne tri-pales à axe horizontal est ensuite étudié. Suivant le positionnement relatif de la turbine par rapport à l'obstacle, l'hydrolienne peut subir de grandes amplitudes de chargements liées aux fluctuations de vitesse engendrées par l'obstacle dans l'écoulement. La mesure des efforts sur les pales et du comportement dynamique de la machine permettent de quantifier ces variations de chargements. Elles dépendent des structures tourbillonnaires impactant la turbine et du cisaillement du profil de vitesse. Ces résultats pourront être exploités pour de futures analyses de fatigue de pales ou autres composantes des hydroliennes.


Résumé (anglais) : French waters have a strong potential for tidal turbines applications. In these areas of strong currents, intense velocity fluctuations are observed in the water column. They ultimately come from variations in seabed bathymetry and can have a strong impact on tidal turbine energy production and fatigue. In order to understand the turbulent structures generation in the wake of obstacles and to build a data base for future numerical studies, the Alderney Race conditions are reproduced experimentally, in a wave and current tank, in Froude similitude and with a Reynolds number as high as possible. In this study, real bathymetric variations are represented using canonical elements: a cube, a cylinder, an inclined plane or a combination of all three. Cases with bathymetric variations higher than average (obstacle alone) are differentiated from average rugosity cases (obstacles combined). In order to characterize the wake behind these obstacles and to study how turbulence evolve in the water column, PIV and LDV measurements are made for various turbulence rates of the incoming flow. Results show that the cylinder alone produces the most spread out wake. In that case, large scale turbulent structures, rising all the way to the surface, are identified. The development of processing methods and data analysis allows the detection of vortex centres and the determination of their properties. The cylinder wake impact on a tri-bladed horizontal axis turbine behaviour is then studied. Depending on the position of the turbine relative to the obstacle, the turbine can be subject to large amplitude loads due to velocity fluctuations generated by the presence of the obstacle in the flow. Force measurements on the blades and turbine dynamic behaviour characterization allow to quantify those load variations. They depend on the turbulent structures impacting the turbine and the shear in the velocity profile. The results obtained could be exploited for further fatigue analyses on blades or on other tidal turbine components.


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