Ce sujet de thèse s'intéresse à l'étude des effets des charges aérodynamiques sur le comportement dynamique non linéaire d'une éolienne à axe vertical de type Darrieus. Cette dernière présente, comparativement aux autres éoliennes, des profits très importants à exploiter, notamment dans les milieux urbains. Il s'agit d'une technologie fiable caractérisée surtout par son fonctionnement omnidirectionnel ainsi que son adaptation à tout type de vent. Généralement, ces éoliennes, ayant des phénomènes aérodynamiques complexes, sont affectées par des vibrations au niveau de leur système de transmission de puissance. En fait, ces vibrations commencent à se manifester à partir des pales du rotor jusqu'au génératrice. L'écoulement autour de ses pales présente également un fort caractère instationnaire. Cette caractéristique augmente d'avantage les vibrations aérodynamiques, qui sont automatiquement transmise au système d'engrenage d'éolienne. À ce niveau, nous avons développé un code de calcul numérique permettant de simuler la complexité des aspects aérodynamiques instationnaires tout en gardant un compromis entre la fiabilité des prédictions et la rapidité de calcul. Les simulations sont réalisées suivant une méthode de mécanique des fluides numérique (CFD) instationnaire bidimensionnel. Les résultats de simulation comparés avec ceux disponibles dans la littérature sont en bonne concordance, le rendement aérodynamique étant optimisé, qui présente un apport scientifique notable. Cette étude numérique a été l'objectif de l'analyse de l'impact des charges aérodynamiques vis-à-vis le comportement dynamique du système d'engrenage de l'éolienne en régime non-stationnaire. Dans ce contexte, une étude paramétrique a été développée afin d'établir le fonctionnement optimal de l'éolienne, caractérisé par un couple aérodynamique plus performant associé à des niveaux de vibrations dynamiques acceptables. En général, il est difficile d'identifier précisément la réponse dynamique des éoliennes à cause du caractère turbulent et stochastique des charges aérodynamiques. Par conséquent, il est indispensable de tenir en compte la variabilité des paramètres d'entrée pour assurer la robustesse du système étudié. Adoptons l'objectif de dimensionnement robuste. Une méthode d'évaluation basée sur des approches stochastiques, particulièrement la méthode du Chaos Polynomial, est utilisée pour simuler le comportement dynamique non-linéaire du système d'engrenage d'éolienne, en tenant compte des incertitudes. Ces dernières sont au niveau des charges aérodynamiques, inhérentes au calcul des niveaux vibratoires du système d'engrenage. Ce qui implique un apport scientifique important. Les résultats obtenus par l'approximation par Chaos Polynomial démontrent une forte dispersion des charges aérodynamiques aléatoires dans la réponse dynamique du système d'engrenage, contrairement aux études déterministes. Ce qui prouve l'insuffisance de telles études pour une analyse de robustesse. Les résultats mettent également en évidence la forte corrélation entre les phénomènes aérodynamiques complexes et les vibrations dynamiques. Le couplage établi constitue l'originalité de notre travail. / This thesis focuses on the study of the aerodynamic loads effects on the nonlinear dynamic behavior of Darrieus--type vertical axis wind turbine. The latter has received more attention due to its efficiency in urban regions compared to other wind turbines. In fact, the wind flow speed in urban regions continuously changes direction and is extremely turbulent. The inherent characteristics of its omni-directionality make it more suitable to harnessing this kind of flow. It is known that Darrieus wind turbine is characterized by an inherently unsteady aerodynamic behavior and a complex flow around rotor blades. The non-stationary behavior of the mentioned turbine increases vibration. These aerodynamic vibrations are transmitted to the gearing mechanism. We have, firstly, developed a numerical simulation, allowing to simulate the complexity of the unsteady aerodynamic phenomena keeping a compromise between the reliability of prediction and the rapidity of calculation. This numerical simulation has been carried out using a two-dimensional unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Simulation results compared to those available in the literature are in good agreement. The Darrieus turbine efficiency is also optimized; thus introducing a significant scientific contribution. The latter is the objective of analyzing the aerodynamic load impact in the dynamic behavior of the Darrieus turbine in non-stationary regime. In this context, a parametric study has been developed in order to find optimal functioning of the studied turbine, which is characterized by the most performing aerodynamic torque associated with acceptable levels of dynamic vibration. In general, it is difficult to predict the dynamic response of the wind turbine with a good level of accuracy due to the aerodynamic loads turbulence and uncertain characteristics. It becomes necessary to take into account the uncertainty in the input parameters to ensure the robustness of the Darrieus turbine geared system. In a robustness study objective, the Polynomial Chaos method is adopted to predict the nonlinear dynamic behavior of the gearing system taking into account uncertainties which are associated to the performance coefficient of the input aerodynamic torque. This leads to an important scientific research contribution. The results have shown a large dispersion of the random parameter in the dynamic response of the gearing system compared to the deterministic study. That proves the insufficiency of that study for a robustness analyses. They have also proved that the Polynomial Chaos method is an efficient probabilistic tool for uncertainty propagation. Finally, the new proposed robust mechanical analysis indicates a good capacity to investigate the dynamic behavior of the Darrieus turbine thanks to its superior predictive capabilities in coupling complex aerodynamic phenomena with a mechanical gearing system vibration. Where the originality of such correlation in our work.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé. / The Darrieus wind turbine has entered a period of renewed interest over the last years because it may stand for an alternative solution to produce electricity in urban areas. In particular, high solidity wind turbine can be chosen to take benefit from some of its key properties for use near populated city areas. Conversely, some aerodynamic problems arise. This type of wind turbine operates at low tip speed ratio for which dynamic stall has a very significant role. The goal of this work is to provide valuable data to complement the knowledge of the dynamic stall phenomenon that occurs on a vertical axis wind turbine in order to improve existing numerical models. This study relies on a combined analysis of numerical and experimental results. The numerical simulations are based on a bidimensional unsteady vortex panel method. Effects of viscosity are introduced by adding corrections computed with a semi-empirical dynamic stall model. The experimental work focuses on the dynamics of the shed vortices existing in the vicinity of the rotor as a result of dynamic stall. The set-up consists of a straight-bladed wind turbine tested in a wind tunnel. Unsteady pressure distribution measurements along the chord and velocity fields measurements by particle image velocimetry were carried out. Results indicate how the characteristics of dynamic stall are conditioned by the tip speed ratio. Stall inception delay, magnitude of the dynamic stall vortex effects and its convection velocity were evaluated. Blade/Vortex interaction was analyzed through the observation of the vortical system downstream of the rotor. In addition, a critical review of the suitability of the Leishman-Beddoes model to effectively simulate the effects of dynamic stall was accomplished.

L'étude développée dans cette thèse concerne le contrôle des performances et des lâchers tourbillonnaires au cours du cycle de rotation d'une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus. L'élaboration d'une famille de lois de commande d'incidence de pales exploitant le principe de conservation de la circulation autour de profils en mouvement permet ici le contrôle du fonctionnement de l'hydrolienne ainsi que la maîtrise de son sillage tourbillonnaire afin de préserver l'environnement.L'écoulement 2D est simulé à l'aide du solveur incompressible de Star CCM+ afin de mettre en évidence l'effet de ce type de contrôle sur le rendement de la turbine pour différents points de fonctionnement. Ce modèle CFD a été utilisé pour améliorer l'analyse analytique en ce qui concerne l'extraction de l'énergie, la compréhension de l'écoulement autour de l'hydrolienne et le contrôle des tourbillons générés. La nouveauté de cette étude est l'élaboration de lois de commande de pales d'hydrolienne, basées sur des valeurs constantes et transitoires de la circulation, afin d'augmenter la puissance de la turbine tout en garantissant un contrôle efficace de la vorticité et ainsi prévenir de l'interaction entre les tourbillons et les pales. Une bonne comparaison est réalisée entre les résultats analytiques et numériques concernant les forces hydrodynamiques.En outre, une campagne d'essais a été menée afin d'acquérir des mesures quantitatives sur une hydrolienne de type Darrieus à pales fixes en terme de puissance, mais aussi des résultats qualitatifs pertinents comme la visualisation de l'écoulement autour des pales à différentes positions et pour différents points de fonctionnement. La mise en place complète d'un système PTV pour les mesures qualitatives et les étapes de traitement sont discutées et les divers paramètres obtenus à partir des études CFD sont validées en utilisant ces résultats PIV.L'étude expérimentale dans la présente recherche appo11e des informations détaillées sur les gradients de pression et de vitesse, les contours de vorticité et le critère Q qui ont servi à valider les visualisations obtenues numériquement. / With key applications in marine renewable energy. the vertical axis water turbine can use current or tidal energy in an eco-friendly manner. However, it is difficult to reconcile optimal performance of hydrokinetic turbines and compliance wilh the aquatic environment as the main drawback of the turbines is the formation of non-linear flow structures caused by the unsteady movement of the blades. Eddies in the flow are advected and can interact with other blades, which leads to a reduction in power output. To limit this phenomenon, the turbines operate at high speeds, which are likely to reduce the shaft power. High speeds of rotational so forbid the passage of aquatic animais, and are the cause of a suction effect on the sediments.The objective of this thesis work is twofold. First, it aims to develop a blade pitch control to get the flow adjusted around the blade profile at any given flow configuration by incorporatin.g the profile's motion with respect to incident flow. Such a system intends to achieve the objective of operating at reduced speeds without vortical releases, which should allow achieving a high torque without causing damage to the environment.This thesis work is mainly carried out in three phases. ln the first phase, the irrotational flow over an arbitrary profile is formulated using conforma] mapping. Prospective potential flow application on the basis of Couchet theory (1976) is involved in the development of a control law that decides the blade pitching in a constant circulation framework. In the second phase, a numerical validation of the developed analytical work is presented using CFD to examine how the theoretical fomulation can be effectively applied to Darricus turbines. In the final phase, two prototypes are developed, one is classical Darrieus turbine with fixed blades, and other is the turbine with pitching blades for experimental measurements of performance as well as flow fields(by PIV) in order to validate the computational results.