Depuis maintenant près de trois décennies, beaucoup d'efforts continuent d'être déployés à travers le monde afin d'étudier la turbine à pale oscillante (*Oscillating-Foil Turbine*, OFT), une technologie novatrice d'extraction de puissance des cours d'eau. Avec l'avancement des recherches à son égard, son potentiel devient toujours de plus en plus prometteur, en particulier pour sa configuration complètement passive (*Fully-Passive OFT*, FP-OFT). Le présent mémoire présente la suite des recherches au sujet de cette dernière, dont le but est de calculer, par le biais d'analyses paramétriques, l'efficacité et le coefficient de puissance (les deux métriques de performance utilisées pour l'optimisation) de deux concepts novateurs intimement liés : la turbine à pale oscillante complètement passive sur un bras pivotant en configurations simple (*FP-OFT on a Swinging Arm*, FP-OFT-SA) et tandem (*FP-OFT-SA in Tandem configuration,* FP-OFT-SAT). La première étude, réalisée à l'aide de simulations numériques d'écoulements (*Computational Fluid Dynamics*, CFD) et modélisée à l'aide de la méthode URANS (*Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes*) bidimensionnelle avec le modèle de turbulence de Spalart-Allmaras, consiste en la vérification des effets des paramètres structuraux de la FP-OFT sur rails, qui utilise un mouvement de pilonnement linéaire, lorsque ces paramètres sont appliqués à une pale placée à l'extrémité d'un bras pivotant. Huit configurations sont analysées : lorsque la pale est placée en amont ou en aval du bras pivotant, ceci lorsqu'un système de transmission de puissance est utilisé ou non et lorsque le mécanisme d'instabilité hydrodynamique est celui de flottement de couplage ou de flottement de décrochage. Cette analyse paramétrique s'intéresse particulièrement aux effets, sur l'efficacité et le coefficient de puissance, que présente la longueur du bras pivotant dans ces huit configurations. De cette étude est ressortie une configuration offrant un coefficient de puissance de 1.57 et près de 55% d'efficacité et, soit des améliorations relatives d'environ 11% et 7% respectivement, par rapport au coefficient de puissance et à l'efficacité de la configuration sur rails étudiée par le passé. Puis, à la lumière des résultats de cette première étape, les paramètres structuraux, originaux ou optimisés selon le cas, sont repris afin d'étudier la FP-OFT sur un bras pivotant en configuration tandem, où chaque extrémité du bras pivotant est maintenant dotée d'une pale. Cette seconde étude, toujours en CFD URANS 2D, s'intéresse, pour une longueur de bras fixe, à l'optimisation des paramètres afin d'obtenir la meilleure efficacité et le meilleur coefficient de puissance en obtenant un système où les deux pales travaillent de concert pour créer un mouvement cyclique de la turbine. Dans cette nouvelle configuration, n'ayant plus de notion de position en amont ou en aval de la pale par rapport au bras, quatre versions ont été étudiées : lorsqu'un système de transmission de puissance est utilisé ou non et lorsque le mécanisme d'instabilité hydrodynamique est celui de flottement de couplage ou de flottement de décrochage. L'une de ces configurations a permis d'obtenir un coefficient de puissance de 1.46 et une efficacité globale de près de 75%, supplantant à la fois l'efficacité de la configuration sur rails et celle de la FP-OFT-SA d'environ 47% et 36%, respectivement. De ces deux études, de nouveaux résultats prometteurs illustrent, encore une fois, l'intéressant potentiel de la turbine à pale oscillante complètement passive. / For nearly three decades, much effort continues to be deployed worldwide to fine-tune the oscillating-foil turbine (OFT), a novel technology to extract power from water flows. With the advancement of research on the subject, its potential becomes ever more promising, especially for its fully-passive configuration (Fully-Passive OFT, FP-OFT). This thesis presents the continuation of the research on the latter, with the aim of calculating, through parametric analyses, the efficiency and the power coefficient (the two performance metrics used for optimization) of two closely linked novel concepts: the fully-passive oscillating-foil turbine on a swinging arm in single (FP-OFT on a Swinging Arm, FP-OFT-SA) and tandem (FP-OFT-SA in Tandem configuration, FP-OFT-SAT) configurations. The first study, carried out using computational fluid dynamics (CFD) and modelled using the bidimensional unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) method using the Spalart-Allmaras turbulence model, consists in verifying the effects of the structural parameters of the FP-OFT on rails, which uses a linear heave motion, when these parameters are applied to a foil placed at the end of a swinging arm. Eight versions of this configuration are analyzed: when the foil is placed upstream or downstream of the swinging arm, when a power transmission system is used or not and when the hydrodynamic instability mechanism is the coupled-flutter or stall-flutter instability. This parametric analysis focuses on the effects of the length of the swinging arm on the efficiency and the power coefficient in these eight configurations. From this study was obtained a configuration yielding a power coefficient of 1.57 and an efficiency value near 55%, relative improvements of about 11% and 7% with respect to the power coefficient and the efficiency value of the railed configuration studied in the past. Then, from the results of this first step, the structural parameters, original or optimized as the case may be, are taken up again to study the FP-OFT on a swinging arm in tandem configuration, where each end of the swinging arm is now fitted with a foil. This second study, still using 2D URANS CFD, focuses, for a fixed arm length, on optimizing the parameters in order to obtain the best efficiency and power coefficient by obtaining a system where the two foils work together to create a cyclic movement of the turbine. With no longer any notion of upstream or downstream position of the foils in relation to the arm, four versions have been studied: when a power transmission system is used or not and when the hydrodynamic instability mechanism is the coupled-flutter or stall-flutter instability. One of these configurations yielded a global power coefficient of 1.46 and an efficiency value near 75%, supplanting both the railed FP-OFT and the FP-OFT-SA efficiency values by about 47% and 36%, respectively. From these two analyzes, promising new results illustrate, once again, the interesting potential of the fully-passive oscillating-foil turbine.

Le présent mémoire vise à quantifier l'impact de la gravité et de la surface libre sur les performances de l'hydrolienne à pale oscillante passive. Ce prototype a été maintes fois étudié et est maintenant considéré comme un concept prometteur dans la lutte aux changements climatiques. Cependant, les études précédentes montrent l'efficacité du concept dans sa configuration avec axe de rotation vertical et donc, sans tenir en compte l'effet de la gravité et de la surface libre. Afin de conduire une étude de viabilité complète, ces facteurs doivent être tenus en compte. Ce mémoire propose une démarche numérique pour évaluer l'impact de la surface libre sur les performances de l'hydrolienne à pale oscillante passive fonctionnant grâce à deux instabilités couramment observées : l'instabilité de flottement de décrochage et l'instabilité de flottement couplé. Un algorithme de couplage fluide-structure est utilisé pour résoudre les interactions et les équations du modèle mathématique connu de l'hydrolienne sont modifiées afin qu'elles tiennent en compte la gravité. Un environnement de calcul CFD est aussi créé pour effectuer la simulation de l'hydrolienne dans différentes conditions d'installation, caractérisées par le nombre de Froude de l'écoulement, utilisé pour quantifier l'effet de la gravité sur la dynamique de la turbine, puis le nombre de Froude de la rivière, utilisé pour quantifier la profondeur d'installation de l'hydrolienne. La première étude permet de montrer que l'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement de décrochage étudiée est très peu influencée par la présence de la gravité si les forces inertielles dominent par rapport aux effets gravitationnels dans l'écoulement ou sont de même ordre. L'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement couplé étudiée, au contraire, est grandement influencée par la présence de la gravité : elle perd une grande partie de son efficacité lorsque la gravité agit dans son axe de déplacement. La seconde partie du mémoire vise à déterminer l'effet de la surface libre sur l'hydrolienne à pale oscillante passive. Pour les deux hydroliennes à pale oscillante passive fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement de décrochage étudiées, cette étude permet de mettre en lumière qu'à certaines positions initiales de la pale, l'interaction entre la pale et la surface libre est positive et permet d'améliorer les performances de l'hydrolienne par rapport au cas sans surface libre et même par rapport au cas avec axe de rotation vertical, soit lorsque la gravité n'a aucun impact. Les performances de l'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement couplé étudiée sont diminuées par la présence de la surface libre et ce, peu importe sa distance au démarrage. Les travaux présentés dans ce mémoire permettent de montrer qu'il est possible d'obtenir des efficacités de l'ordre de 50 % avec l'hydrolienne à pale oscillante passive fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement de décrochage, ce qui ne semblait être possible que pour les hydroliennes avec instabilité de flottement couplé selon les études menées avec un axe vertical en 2D. Il suffit de savoir tirer profit de la surface libre et du fond de la rivière, et du confinement qu'ils fournissent. L'étude montre aussi que l'instabilité de flottement de décrochage est beaucoup plus robuste aux modifications dans l'écoulement que l'instabilité de flottement couplé : la première résiste à l'ajout de gravité, et la modification de son importance par rapport aux forces inertielles de l'écoulement, alors que la deuxième perd une très grande partie de son efficacité. L'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement couplé n'est pas appropriée à l'utilisation avec un axe de rotation horizontal. / The aim of this thesis is to quantify the impact of gravity and free surface on the performances of a fully-passive oscillating foil turbine. This prototype has been studied many times and is now considered a promising concept in the fight against climate change. Previous studies show the efficiency of this concept in its vertical-axis configuration and therefore, without taking into account the effect of gravity and free surface. In order to conduct a complete viability study, these factors need to be taken into account. This thesis proposes a numerical approach to evaluate the impact of the free surface on the performances of the turbine. This study is carried out on the fully-passive oscillating foil turbine, operating with two commonly seen instabilities: the stall-flutter instability and the coupled-flutter instability. A fluid-structure coupling algorithm is used, and the equations of the turbine's mathematical model are modified to take gravity into account. A CFD computing environment is also created to simulate the turbine under different installation conditions, characterized by the Froude number of the flow, used to quantify the effect of gravity on turbine dynamics, and the Froude number of the river, used to quantify the tidal turbine installation depth. The first study shows that the studied turbine undergoing a stall-flutter instability is very little influenced by the presence of gravity if inertial forces dominate over gravitational effects in the flow, or are of the same order. The studied turbine undergoing a coupled-flutter instability, on the other hand, is greatly influenced by the presence of gravity: it loses much of its efficiency when gravity acts in its axis of motion. The second part of this thesis aims to determine the effect of the free surface on the passive oscillating turbine. For the two studied turbines undergoing a stall-flutter instability, it is shown that at certain initial positions of the blade, the interaction between the blade and the free surface is positive and improves the performance of the turbine compared to the case without free surface and even compared to the case with vertical axis of rotation, i.e. when gravity has no impact. The performance of the studied turbine undergoing a coupled-flutter instability is greatly reduced by the presence of the free surface, regardless of its distance at start-up. The work presented in this thesis shows that it is possible to achieve efficiencies of the order of 50 % with the passive oscillating blade tidal turbine operating with the stall-flutter instability, which seemed to be possible only with the coupled-flutter instability according to studies carried out with a vertical axis. All that's needed is to take advantage of the free surface and the confinement it provides. The study also shows that the two studied turbines undergoing a stall-flutter instability are much more robust to changes in the flow than the studied one undergoing a coupled-flutter instability: the former resists the addition of gravity, and the modification of its importance in relation to the inertial forces of the flow, whereas the latter loses a very important part of its efficiency. The parameters required to take advantage of the coupled-flutter instability do not seem to be adequate for an horizontal-axis turbine.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Dans le but d'améliorer les performances de la turbine à pale oscillante en conservant sa simplicité, on explore une modification géométrique : l'ajout d'un volet Gurney double. On débute par caractériser les volets Gurney, le volet simple et le volet double, en les appliquant à un profil d'aile typique, le NACA 0015, qui constituera ensuite la pale de la turbine. En étudiant l'impact aérodynamique à angle d'attaque fixe des volets Gurney par une approche numérique en 2D, on confirme certaines règles de dimensionnement de la hauteur (h[indice GF]) du volet en fonction de l'épaisseur de la couche limite, et on étend ces règles au cas des volets doubles auparavant peu étudiés dans la littérature. Des améliorations à la finesse (L/D), à la pente et au coefficient de portance du profil équipé de volets simples et doubles sont observées, laissant présager une application intéressante sur la turbine à pale oscillante pour le volet double. On applique ensuite ces volets à une turbine à pale oscillante 2D, dont les caractéristiques se prêtent bien à une application réelle en 3D avec une envergure finie, soit une turbine dont l'amplitude de pilonnement est égale à la corde et dont l'angle d'attaque effectif maximal est de 29°, permettant d'éviter l'apparition d'émissions tourbillonnaires au bord d'attaque tout en offrant des performances de base jugées élevées. On observe des améliorations de performance allant de +3% à +10% sur des turbines déjà performantes, sans complexité accrue, par l'ajout du volet double. On constate que les règles de dimensionnement du volet Gurney optimisant la finesse du profil ne s'appliquent pas à la turbine à pale oscillante, dont les performances sont plutôt liées à la pente de portance du profil de pale utilisé, ce qui ouvre la porte à de futures modifications cinématiques de la turbine visant à exploiter la phase de portance de son cycle en employant des amplitudes de pilonnement plus importantes. / In order to improve the performance of the oscillating-foil turbine while retaining its simplicity, ageometric modification is explored: the addition of a double Gurney flap. The Gurney flaps, both single and double, are first characterized by applying them to a typical NACA 0015 airfoil, which will later serve as the blade of the turbine. By studying the aerodynamic impact of the Gurney flaps at a fixed angle of attack through a 2D numerical approach, the height (h[subscript GF]) of the flap is confirmed to scale with the thickness of the boundary layer where the flap is affixed, prior to its installation, and this scaling rule is extended to the case of double flaps, which were previously little studied in the literature. Improvements to the lift-to-drag ratio (L/D) and to the lift slope and coefficient of the airfoil equipped with single and double flaps are observed, suggesting an interesting application of the double flap on the oscillating-foil turbine. These flaps are then applied to a 2D oscillating-foil turbine, whose characteristics are well-suited for a real-life 3D application with a finite span, that has a heaving amplitude equal to its chord, and a maximum effective angle of attack of 29°, which avoids the occurrence of leading-edge vortex shedding while still offering a high base performance. Improvements in performance ranging from +3% to +10% are observed on already high-performing turbines with the addition of the double flap, without increased complexity. It is found that the scaling rules for the Gurney flap for maximizing the L/D ratio do not apply to the oscillating-foil turbine, whose performance is rather linked to the lift slope of the blade profile used, which opens the door to future kinematic modifications of the turbine aimed at exploiting the lift phase of its cycle with larger heaving amplitudes.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 84-86. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

La dynamique des ailes battantes observée dans le règne animal suscite l'attention de plusieurs chercheurs afin de mieux comprendre et exploiter ce phénomène de propulsion et de sustentation. Il a notamment été démontré que le phénomène de «clap-and-fling», où deux ailes entrent à grande proximité l'une avec l'autre pendant leur mouvement, génère un haut niveau de force de portance ou de propulsion. Ce mécanisme est particulièrement efficace à de petites échelles dans la nature, ce qui rend son application attrayante au niveau de la miniaturisation d'engins volants comme les drones. En effet, certains insectes et petits oiseaux battent des ailes pour voler, ce qui implique un mécanisme biologique sous-jacent qui est associé à des performances aérodynamiques efficaces qui ont été adoptées à travers la sélection naturelle. Les résultats obtenus à travers les simulations numériques effectuées démontrent bel et bien l'utilité du mécanisme de «clap-and-fling». D'un point de vue cinématique, le mouvement de l'aile oscillante peut être résumé en deux dimensions à deux sous-mouvements sinusoïdaux, soit une oscillation verticale (pilonnement) et une rotation de l'aile autour de son point de pivot (tangage). En effet, la campagne paramétrique effectuée selon ces mouvements confirme que l'interaction entre deux ailes battantes qui débattent en grande proximité permet de générer un haut niveau de propulsion avec une augmentation de l'efficacité marquée par rapport à l'utilisation d'une seule aile. Une campagne numérique additionnelle qui se base sur la meilleure configuration utilisant deux ailes battantes, introduit un nouveau mouvement sinusoïdal, soit la déviation. Ce dernier est une oscillation additionnelle horizontale qui a notament pour but d'augmenter l'efficacité du système en amplifiant les effets instationnaires du mécanisme de «clap-and-fling». Ces deux campagnes numériques basées sur des simulations numériques simplifiées en deux dimensions ont permis de mieux comprendre les subtilités du phénomène et d'en améliorer les performances. Les effets tridimensionnels ont été explorés numériquement à partir de la meilleure configuration rapportée par l'étude 2D. Les résultats obtenus de cette étude démontrent les effets 3D présents pour un tel système qui affectent nécessairement ses performances et permettent ainsi de proposer les lignes directrices pour la conception éventuelle d'un prototype de micro-drone utilisant le mécanisme de «clap-and-fling». / The flapping wing dynamics observed in the animal kingdom are attracting the attention of many researchers to better understand and exploit this propulsion and lift phenomenon. In particular, it has been shown that the phenomenon of clap-and-fling, where two wings enter close proximity to each other during their movement, generates a high level of lift or propulsive force. This mechanism is particularly effective on small scales in nature, making its application attractive for the miniaturization of flying machines such as drones. Indeed, some insects and small birds flap their wings to fly, implying an underlying biological mechanism associated with efficient aerodynamic performances that has been adopted through natural selection. The results obtained from the numerical simulations carried out clearly demonstrate the usefulness of the clap-and-fling mechanism. From a kinematic point of view, the motion of the oscillating wing can be summarized in two dimensions as two sinusoidal submovements, i.e. a vertical oscillation (heave) and a rotation of the wing around its pivot point (pitch). In fact, the parametric campaign performed according to these motions confirms that the interaction between two flapping wings oscillating in close proximity generates a high level of thrust with a marked increase in efficiency compared with the use of a single wing. An additional numerical campaign, based on the best configuration using two flapping wings, introduces a new sinusoidal motion, namely deviation. The latter is an additional horizontal oscillation designed to increase the system's efficiency by amplifying the unsteady effects of the clap-and-fling mechanism. These two numerical campaigns, based on simplified two-dimensional numerical simulations, allow a better understanding of the subtleties of the phenomenon and improve its performance. The three-dimensional effects were explored numerically based on the best configuration reported by the 2D study. The results obtained from this study demonstrate the 3D effects present for such a system, which necessarily affect its performances, and thus enable the proposal of guidelines for the eventual design of a micro-drone prototype using the clap-and-fling mechanism.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 avril 2024) / Les hydroliennes à pale oscillante (HPO) complètement passives ont été optimisées avec les années pour atteindre des efficacités allant jusqu'à 51%. Ces hautes efficacités ont été démontrées sous l'hypothèse que l'écoulement est bidimensionnel et que la taille du canal n'affecte pas les performances de la turbine. Cependant, il en ressort un besoin de démontrer la robustesse de la turbine dans différents environnements d'écoulement. En effet, l'hydrolienne réelle est d'envergure finie, donc les extrémités de la pale engendrent des tourbillons de bout qui réduisent la portance en comparaison avec une turbine 2D. Aussi, l'aire de section de n'importe quel canal a une taille finie, donc la profondeur et la largeur de l'écoulement auront elles aussi un impact sur l'hydrolienne. Ce mémoire vise à démontrer la robustesse de la turbine à des changements géométriques de la forme du canal. Cette démonstration doit être perçue comme un commencement, et non une finalité, puisque de nombreux autres effets ne sont pas abordés ici. Cette robustesse est d'abord démontrée en évaluant qualitativement et quantitativement l'impact de la profondeur d'un canal 2D sur une HPO complètement passive qui fut optimisée par d'anciens étudiants au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. Il est observé que sans modification des paramètres structuraux qui influencent les mouvements non-contraints de la pale, la turbine devient chaotique et inopérable après une faible diminution de la profondeur du canal. Pour retrouver des niveaux de performance intéressants pour des canaux encore moins profonds, une méthode simple est proposée, basée sur un ajustement adéquat du générateur électrique. Grâce à cet ajustement, l'efficacité de la turbine augmente jusqu'à 70% pour des canaux hautement restreints. Enfin, la robustesse de la turbine est démontrée pour un canal 3D où la largeur du canal est variée. Encore ici, l'efficacité de la turbine augmente avec la diminution de l'aire de section du canal, à la différence que la force du générateur ne nécessite pas de modifications. Cette démonstration fut réalisée avec le souci de reproduire la turbine et les conditions d'écoulement correspondant à une étude expérimentale réalisée à la University of Victoria en parallèle à ce mémoire afin d'également montrer que la présente méthodologie numérique se compare bien aux résultats expérimentaux. L'importance de cette démonstration n'est pas à sous-estimer puisque dans le contexte des HPO complètement passives, aucune étude n'a encore validé les simulations sous des conditions d'opérations comparables, c'est-à-dire en incluant la tridimensionnalité de la turbine. / With the passing years, the fully-passive oscillating-foil turbines (OFT) have been optimised up to 51% of efficiency. These incredible efficiencies were made possible under the constrains that the flow is bidimensional and that the size of the channel does not affect the performances of the turbine. There is however a need to demonstrate the resilience of the turbine in different flow conditions. Indeed, the turbine is made up of a three-dimensional blade, so the presence of wing-tip vortices reduce the lift produced in comparison to 2D foils. Also, the cross-sectional area of any channel is finite, so the width and depth of the flow will also impact the turbine. The goal of this master thesis is to demonstrate the resilience of the turbine to geometric changes of the channel. This resilience demonstration must be seen as a start and not a finality since numerous other effects are not discussed here. This resilience is first demonstrated by qualitatively and quantitatively evaluating the channel's depth impact on a 2D fully-passive OFT that has been optimized by previous graduate students from the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. It has been observed that without modifications of the structural parameters influencing the unconstrained blade, the turbine becomes chaotic and uninteresting after a small decrease of the channel's depth. To retrieve good performances for shallow channels, a simple method is proposed, based on the adjustment of the electric generator. Thanks to this adjustment, the efficiency of the turbine increases up to 70% for highly confined channels. Finally, the resilience of the turbine is demonstrated again in a 3D channel where where the width is varied. Again, the efficiency of the turbine increases with a reduction of the cross-sectional area of the channel. Again, the efficiency of the turbine increased with a decrease of the cross-sectional area of the channel. The difference with the previous 2D study is that the force applied by the generator did not need any modifications. This demonstration has been planned to reproduce at the same time the turbine and the flow conditions used in a experimental study. The goal is to show that the current numerical methodology used compares itself well experimental results. The importance of this demonstration must not be underestimated since in the context of fully-passive OFTs, no study has adapted to compare both approaches in comparable operating conditions, meaning to include the 3D aspect of the turbine.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Un nouveau concept d’hydrolienne basée sur des ailes oscillantes est étudié. La présente étude a pour but d’étudier l’hydrodynamique instationnaire d’une aile oscillante, d’optimiser son mouvement afin de maximiser l’extraction de puissance et de démontrer le potentiel d’une turbine à ailes oscillantes par une campagne expérimentale sur un prototype. L’analyse et l’optimisation de la turbine à ailes oscillantes ont été effectuées par simulations numériques à bas nombre de Reynolds (laminaire) ainsi qu’à haut nombre de Reynolds (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes; URANS). Une stratégie numérique 2D et 3D impliquant l’utilisation d’interfaces de glissement a été développée spécifiquement pour cette application de corps oscillants avec de grandes amplitudes de mouvement. À l’aide de cette stratégie numérique, une étude paramétrique fut effectuée et permit l’identification des paramètres dominants en ce qui a trait à la performance hydrodynamique de la turbine à ailes oscillantes. Basé sur un grand nombre de simulations, les zones optimales de production de puissance ont été identifiées dans les espaces paramétriques pertinents. De plus, des configurations spatiales optimales ont été identifiées pour le cas de turbines à ailes oscillantes en tandem. Le potentiel de l’hydrolienne à ailes oscillantes a été formellement établi dans ce travail grâce à une campagne expérimentale sur un prototype à ailes en tandem de 2 kW. La performance de ce dernier s’avéra compétitive avec celle des hydroliennes de type rotors à axe horizontal que l’on retrouve dans la majorité des designs d’hydrolienne proposés. Les données de la campagne expérimentale ont également permis de valider les résultats des simulations numériques par leur accord avec les simulations 3D. / A new concept of hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils is investigated. The objective of this study is to analyze the unsteady hydrodynamics of oscillating foils, to optimize their motions for maximum power extraction and to demonstrate in practice the potential of such a concept of turbine through experiments on a prototype. The analysis and optimization have been conducted via low Reynolds number, laminar numerical simulations as well as high Reynolds number, Unsteady Reynolds- Averaged Navier-Stokes (URANS) computations. A 2D and 3D numerical methodology relying on the use of sliding interfaces and suitable to the case of foils undergoing oscillations of large amplitudes is presented. Using that numerical strategy, a parametric study is conducted and leads to the identification of the dominant parameters impacting the hydrodynamic performance of the oscillating-foil turbine. Based on a large number of simulations, the performance of the oscillating-foil turbine has been mapped in relevant parametric spaces. In addition, optimal spatial configurations of turbines with tandem foils is also provided. The potential of the oscillating-foils hydrokinetic turbine has also been formally established in this work through field tests on a 2kW tandem-foils prototype. Its performance has been found to be competitive with the best competing technologies based on horizontal-axis rotor-blades. The experimental data have also been used here to validate the numerical models and have been found to strongly support the 3D numerical simulations.

Due à la complexité des mécanismes typiquement requis pour contraindre l’aile d’une turbine à aile oscillante à suivre des mouvements spécifiques, cette thèse étudie la possibilité de bénéficier de mouvements non contraints, dits passifs. En pratique, cela implique que l’aile est attachée à la structure de la turbine à l’aide de supports élastiques indépendants en pilonnement et en tangage, formés de ressorts et d’amortisseurs. Par conséquent, seul un contrôle indirect des mouvements est possible en ajustant adéquatement les paramètres structuraux affectant la dynamique de l’aile, tels que les paramètres d’inertie, d’amortissement et de raideur de l’aile et de ses supports élastiques. En premier lieu, un prototype ayant des mouvements passifs autant en pilonnement qu’en tangage, et donc étant complètement passif, a été conçu et testé dans un canal à surface libre. Cette première phase du présent travail de recherche a confirmé la faisabilité et le potentiel de ce concept en permettant d’extraire une quantité significative d’énergie de l’écoulement d’eau. Cependant, l’efficacité maximale atteinte est demeurée inférieure à ce qui peut être obtenu en contraignant l’aile à suivre des mouvements précis. Suite à ces expériences, un algorithme résolvant la dynamique du solide a été implémenté et couplé au logiciel résolvant la dynamique du fluide gouverné par les équations de Navier-Stokes. Des simulations numériques ont été réalisées afin d’analyser plus en détail la dynamique de chacun des deux degrés de liberté de l’aile. Plutôt que de poursuivre notre étude du concept complètement passif immédiatement, un concept de turbine semi-passive caractérisée par un mouvement de tangage passif et un mouvement de pilonnement contraint a été considéré. Des efficacités de l’ordre de 45% ont été atteintes, se comparant ainsi aux meilleures performances rapportées dans la littérature concernant les turbines à ailes oscillantes complètement contraintes. En plus de révéler le fort potentiel de ce concept de turbine semi-passive, cette étude nous a permis de nous concentrer sur certains aspects spécifiques concernant la dynamique d’une aile attachée par des ressorts en tangage. Cette analyse plus détaillée de la physique en jeu a été facilitée par le nombre réduit de paramètres structuraux en jeu par rapport à une turbine pour laquelle le mouvement de pilonnement est lui aussi passif. L’une des découvertes importantes est que le centre de masse doit être situé en aval du point de pivot afin de générer un transfert d’énergie du mouvement de pilonnement vers le mouvement de tangage par l’entremise du couplage inertiel entre les deux degrés de liberté. Ce transfert d’énergie est crucial puisque les mouvements de tangage optimaux nécessitent de l’énergie en moyenne pour être soutenus. De plus, un paramètre combinant les effets liés au moment d’inertie de l’aile par rapport à son point de pivot et à la raideur en tangage a été proposé. Ce paramètre permet de bien caractériser la dynamique du mouvement de tangage passif de la turbine semi-passive. Il permet aussi de déterminer la raideur requise pour différentes valeurs du moment d’inertie afin de maintenir une performance optimale de la turbine. Utilisant les connaissances acquises concernant la dynamique des mouvements de tangage passifs, le concept de turbine à aile oscillante complètement passive a été revisité. Les meilleures efficacités obtenues avec la turbine semi-passive ont été égalées et ont même été surpassées puisque qu’une efficacité de 53.8% a été atteinte. Les résultats ont aussi démontré qu’une performance optimale pouvait être maintenue sur de larges plages de valeurs en ce qui concerne la masse en pilonnement ainsi que le moment d’inertie par rapport au point de pivot, pourvu que les raideurs en pilonnement et en tangage soient ajustées correctement. / Due to the complexity of the mechanisms typically required when designing a flapping-foil turbine to prescribe specific heave and pitch motions, this thesis investigates the possibility of benefiting from unconstrained motions. In practice, this means that the foil is attached to the turbine structure with independent elastic supports in heave and in pitch, which consist in springs and dampers. Consequently, only an indirect control over the foil motions is possible through an adequate adjustment of the structural parameters affecting the foil dynamics, namely the inertial, damping and stiffness characteristics of the elastically-supported foil. Such motions are referred to as passive motions. As a first step, a turbine prototype with passive heave and pitch motions, thus being fully-passive, has been designed and tested in a water channel. This first phase of the present research work has confirmed the feasibility and the potential of this concept to extract a significant amount of energy from a fluid flow. However, the maximum efficiency that has been obtained is smaller than what can be achieved when prescribing specific foil motions. Following these experiments, a solid solver has been implemented and coupled with a Navier-Stokes fluid solver. Numerical simulations have been carried out to analyze the dynamics of both degrees of freedom in more details. Instead of immediately pursuing our study of the fully-passive flappingfoil turbine, a semi-passive concept, with a passive pitch motion and a prescribed heave motion, has been considered. Efficiencies of the order of 45% have been achieved, hence competing with the best performance reported in the literature for flapping-foil turbines with prescribed motions. In addition to revealing the great potential of this semi-passive turbine concept, this study has allowed us to focus on some specific aspects of the dynamics of passive pitch motions. This more detailed analysis of the physics at play has been facilitated by the reduced number of structural parameters affecting the foil dynamics compared to a turbine for which the foil is also elastically-supported in heave. One of the main findings is that the center of mass must be positioned downstream of the pitch axis in order to generate a net transfer of energy from the heave motion to the pitch motion via the inertial coupling between the two degrees of freedom. This energy transfer is crucial because optimal pitch motions require energy on average to be sustained. Moreover, a parameter combining the effects of the moment of inertia of the foil about the pitch axis and the pitch stiffness has been proposed. This parameter effectively characterizes the pitch dynamics of the semi-passive turbine. It also allows properly scaling the pitch stiffness when different moments of inertia are considered with the objective of maintaining an optimal turbine performance. Having improved our knowledge about the dynamics of passive pitch motions, the fully-passive flapping-foil turbine concept has been revisited. The best efficiencies obtained with the semi-passive concept have been matched, and even exceeded since an efficiency of 53.8% has been reached. The results have also demonstrated that an optimal performance can be maintained over large ranges of values regarding the heaving mass and the moment of inertia when the heave and pitch stiffness coefficients are adjusted adequately.

Ce mémoire présente l’étude d’un prototype novateur d’hydrolienne basé sur l’utilisation d’ailes oscillantes. L’Hydrolienne à Ailes Oscillantes (HAO) est en développement depuis une dizaine d’années à l’Université Laval et le potentiel de cette technologie a d’ailleurs été vérifié numériquement et expérimentalement. Il est maintenant nécessaire de développer des outils permettant de prédire le comportement de l’hydrolienne lorsqu’installée en rivière ou en courant de marée. Pour ce faire, la dynamique des fluides numérique (CFD) est utilisée afin d’étudier l’impact de différents paramètres sur les performances de l’hydrolienne. L’étude présentée dans ce mémoire décrit notamment l’influence de la modélisation de la turbulence, de la présence de la structure de l’hydrolienne et des effets de confinement. Dans un premier temps, une étude sur l’aile oscillante comparant deux niveaux de modélisation de la turbulence est présentée. Cette étude a permis de montrer que malgré la présence de structures turbulentes plus fines dans le sillage de l’aile avec le modèle Scale-Adaptive Simulation, les signaux de forces instantanées ainsi que les paramètres moyens de performance sont très similaires à ceux obtenus avec le modèle Spalart-Allmaras qui est de fait utilisé pour simuler l’hydrolienne HAO complète. Ensuite, l’hydrolienne HAO constituée d’une paire d’ailes oscillantes à l’intérieur de sa structure est simulée. La technique de maillage par grilles superposées est utilisée afin de simuler le mouvement relatif des différents corps. Cette représentation de l’hydrolienne a permis d’étudier l’impact de la structure de celle-ci sur ses performances et ainsi d’optimiser sa forme afin de maximiser l’extraction d’énergie. En plus d’améliorer les performances, le carénage optimisé permet d’atténuer la sensibilité de l’hydrolienne à un écoulement amont désaligné. Le troisième principal aspect étudié est l’impact du confinement sur les performances de l’aile oscillante. En effet, les parois d’un canal d’essais, la topologie des fonds marins ainsi que la proximité de la surface de l’eau sont susceptibles d’avoir un impact sur les performances hydrodynamiques d’une hydrolienne. Les simulations réalisées sur une aile oscillante à différents niveaux de confinement ont montré que la puissance extraite augmente avec le niveau de blocage, mais en plus, que cette relation est linéaire pour un confinement inférieur à 40%. Finalement, une technique est suggérée afin de corréler les performances de l’aile oscillante dans différents environnements confinés. / This master’s thesis focuses on a novel prototype of hydrokinetic turbine based on oscillating foils. This concept known as HAO, which stands for “Hydrolienne à Ailes Oscillantes”, has been under development for about 10 years at Laval University and its potential in power extraction has been confirmed through numerical and experimental studies. Efforts are now focused on developing tools to predict the turbines behavior prior to its deployment in rivers or tidal streams. To achieve this goal, computational fluid dynamics (CFD) is used to investigate the impact of different parameters on the power-extraction performance of the HAO turbine. This study describes, among other things, the influence of the turbulence modeling, the presence of the frame structure and the blockage effects. First of all, a methodological study performed on a single oscillating foil is presented which compares two different turbulence modeling approaches. This work has shown that even if the Scale-Adaptive Simulation model presents finer structures in the wake of the foil, instantaneous forces and mean performance parameters closely match the results obtained with the Spalart-Allmaras model which is thus used to simulate the complete HAO hydrokinetic turbine prototype. In a second study, the HAO hydrokinetic turbine is simulated considering two hydrofoils oscillating within the frame structure. The overset mesh technique is used to represent the relative motions of the different bodies. This methodology allows to study the impact of the frame structure on the turbine performance and to optimize its shape in order to increase the power extracted. In addition to the enhanced performances, the optimized frame shape provides an improved robustness to misaligned upstream flows. The third principal aspect addressed in this thesis is the impact of flow confinement on the performance of oscillating-foils. In fact, towing tank walls, sea and river bed topology and free surface proximity are likely to have an impact on the turbine hydrodynamic performance. Simulations of a single oscillating foil for different blockage levels have shown that the power extracted increases with the blockage ratio, but more precisely that this relation is linear for confinement of less than 40%. Finally, a technique is suggested to correlate the performance of the oscillating-foils turbines in different confined environments.

Le présent document détaille le travail ayant été réalisé pour la conception de l’ensemble d’ailes à éléments multiples de la première édition du véhicule électrique de la FormUL (anciennement la Formule SAE) de l’Université Laval en 2015. Ce projet étudiant vise à concevoir un véhicule de course monoplace 100% électrique afin de participer aux compétitions internationales de Formula Student en Europe. L’objectif global de cette maîtrise est donc de maximiser le pointage de l’équipe aux compétitions via l’amélioration des performances aérodynamiques du véhicule. À cette fin, un premier travail de modélisation permettant de quantifier la sensibilité du pointage aux paramètres aérodynamiques a été effectué, ce qui a permis d’établir une cible claire pour l’ensemble de la conception des ailes. Par la suite, les bases nécessaires à une optimisation numérique des ailes ont été établies. Une évaluation des différentes méthodes de paramétrisation d’aile a été réalisée, permettant le développement d’une solution propre à ce travail admettant un nombre minimal de variable. Étant donné le coût de calcul important associé aux simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) 3D, il a été décidé qu’une approche à deux niveaux faisant usage, dans un premier temps, de simulations 2D moins coûteuses serait privilégiée. L’algorithme génétique de Matlab est utilisé afin d’effectuer l’optimisation 2D des profils d’aile. Étant donné les faibles performances, l’algorithme commercial SHERPA fut utilisé dans un 2e temps. Suite à l’obtention de résultats prometteurs, la campagne d’optimisation 3D a été lancée à l’aide du superordinateur de Calcul Canada, Colosse, installé à l’université Laval. Au retour des compétitions européennes de l’été 2015, des essais expérimentaux sur piste ont permis de récolter des données avec et sans l’installation des ailes sur le véhicule. Ces résultats démontrent une nette amélioration des performances aérodynamiques du véhicule, se traduisant par une augmentation non-négligeable du pointage total de l’équipe. / This document presents the work that has been done towards the design of a set of multi-elements wings for the first edition of the electric vehicle of the FormUL project (previously Formula SAE) of Laval University, in 2015. FormUL is a student project with the objective of designing and building a 100% electric formula-style race car in order to compete in the international Formula Student competitions in Europe. The global objective of this work is thus to maximise the team’s overall score at competitions through better aerodynamic performance of the vehicle. To do so, a simulation tool is first developed to quantify the score sensitivity to the aerodynamic parameters of the vehicle. With this, a clear goal is set for the optimization procedure. Secondly, a review of the wing parameterization techniques is presented along with the developed solution, which minimizes the number of design variables. As the computational cost associated with 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations is high, a two-step optimization procedure that first leverages a low cost 2D CFD simulation is developed. Matlab’s genetic algorithm was initially selected to optimize the airfoils, but a second more efficient commercial algorithm is finally used, namely Red Cedar Technology’s SHERPA algorithm.. Following the promising results of the 2D optimization, the 3D campaign was performed with the computational resources available at Laval University, namely Compute Canada’s supercomputer Colosse. During fall 2015, after the European competitions, on-track experimental testing enabled the collection of data for the vehicle with and without the wings designed in this work. The results show a significant improvement of the aerodynamic performance of the vehicle that is estimated to have a non-negligible positive impact on the team’s overall score.