This thesis focuses on generating real world turbulence levels in a water tunnel rotor test using fractal grids and characterizing the effect of the fractal grid generated-turbulence on the performance of hydrokinetic turbines. The research of this thesis is divided into three studies: one field study and two laboratory studies. The field study was conducted at the Canadian Hydro Kinetic Turbine Test Centre (CHTTC) on the Winnipeg River. An Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) was used in the field study to collect flow measurements in the river. The laboratory studies were conducted at the University of Victoria (UVic) fluids research lab and the Sustainable Systems Design Lab (SSDL). In addition, the Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used in the experiential studies to obtain quantitative information about the vector flow field along the test section, both upstream and downstream of the rotor’s plane. The first study is a field study aiming to provide real flow characteristics and turbulence properties at different depths from the free-surface to boundary layer region of a fast river current by conducting a field study in the Winnipeg River using ADV. A novel technique to deploy and control an ADV from free-surface to boundary layer in a fast-current channel is introduced in this work. Flow characteristics in the river, including mean flow velocities and turbulence intensity profiles are analyzed. The obtained results indicate that the maximum mean velocity occurs below the free-surface, suggesting that the mean velocity is independent of the channel depth. From the free-surface to half depth, it was found that changes in both the mean velocity and turbulence intensity are gradual. From mid-depth to the river bed, the mean velocity drops rapidly while the turbulence intensity increases at a fast rate. The turbulent intensity varied from 9% at the free-surface to around 17.5% near the river bed. The results of this study were used in the second lab study to help designing a fractal grid for a recirculating water flume tank. The goal was to modify the turbulence intensity in the water tunnel such that the generated turbulence was similar to that in the river at a location typical of a hydrokinetic device. The properties of fractal-generated turbulence were experimentally investigated by means of 2D Particle Image Velocimetry (PIV). The streamwise turbulent intensity profiles for different grids along the channel are presented. Additionally, visualization of the average and fluctuating flow fields are also presented. The results are in good agreement with results in literature. The third and final study investigated the power coefficient of a scale hydrokinetic turbine rotor in controlled turbulent flow (7.4 % TI), as well as in the low-turbulence smooth flow (0.5% TI) typical of lab scale testing. PIV was employed for capturing the velocity field. The results show that using realistic TI levels in the water tunnel significantly decrease the turbine’s power coefficient compared to smooth flow, highlighting the importance of considering this effect in future experimental campaigns. / Graduate

Le but principal du présent travail est ainsi de réaliser une expérience de mélange par la turbulence, dans laquelle il est possible de déterminer et de quantifier les temps de cohérence des différentes échelles spatiales des fluctuations du champ de vitesse et du champ de concentration qu'il transporte et mélange. La turbulence est ici voisine de la situation idéale statistiquement homogène et isotrope, et la configuration est conçue pour qu'il en soit de même pour le champ de concentration. La turbulence est créée par une grille placée perpendiculairement à un écoulement uniforme à l'extérieur des couches limites qui se développent le long des parois de la veine d'essais à section carrée constante. L'écoulement de la présente étude est un écoulement d'eau, dans lequel le champ de concentration est celui d'une solution de Rhodamine B injectée au niveau de la grille à travers des injecteurs équi-répartis le long des barreaux de celle-ci. Ce choix, dicté par la technique de mesure du champ de concentration par Fluorescence Induite par Laser, permet en outre de mesurer le champ de vitesse par une autre technique optique, elle aussi non-intrusive. Pour se rapprocher le plus de la théorie d'un mélange idéal statistiquement homogène et isotrope sans vitesse moyenne, on considère dans l'expérience, conformément à l'hypothèse de Taylor, que toutes les échelles associées à chacun de ces champs, sont convectés à la vitesse moyenne U de l'écoulement, et l'on suit une "boîte de turbulence" qui se déplace à cette vitesse le long de la veine. Par suite déterminer l'état de la turbulence en un point donné de cette boite à l'instant t et à l'instant t'=t+dt, revient à l'étudier dans l'expérience à t à l'abscisse x de la veine d'essai, et à t' à l'abscisse x+dx , avec dx=Udt, où se trouve le point de la boîte aux deux instants successifs. Les résultats expérimentaux concernant les échelles pour lesquelles l'isotropie statistique est satisfaite, permettent alors de vérifier une phénoménologie de l'évolution de la cohérence temporelle des diverses échelles spatiales du champ des fluctuations de concentration fondée sur les idées de Comte-Bellot et Corrsin. Cette expérience, est en outre l'occasion de donner des résultats sur les densités de probabilité de diverses propriétés statistiques des champs de fluctuation de vitesse. / The main purpose of this work is to make an experiment of mixing by turbulence, in which it is possible to determine and quantify the coherence time of the different spatial scales of fluctuations of a scalar field. We measure concentration fluctuations of rhodamine B by Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) which is transported and mixed by velocity fluctuations. These latter ones are generated by a grid placed perpendicularly to the flow in a water channel and are measured by Particle Image Velocimetry (PIV). The concentration field is injected in the flow by injectors regularly spaced on the grid so that it is a situation where both the velocity and the concentration fields are statistically homogeneous and isotropic. To get as close as the theory of statistically homogeneous and isotropic turbulence with no mean velocity, we consider, according to Taylor's hypothesis, that all scales associated with each of these fields are convected with the mean velocity U of the flow, and we follow a "turbulent box" that moves at U along the channel. As a result determining the state of turbulence at a given point of the box at time t and time t ' = t + dt, is like studying in the experiment at time t and space x of test section, and time t' and space x + dx of the test section, with dx = U dt. When statistical isotropy is satisfied, we can verify a phenomenology of the evolution of the temporal coherence of various space scales of the concentration fluctuation fields based on the ideas of Comte-Bellot and Corrsin. This experiment is also an opportunity to give results on probability densities of various statistical properties of fluctuating velocity fields.

Le climat de la Terre dépend en grande partie des échanges énergétiques entre les masses d’eau chaudes et froides de nos océans. Afin de prédire et de comprendre les variations de notre climat, les modèles numériques globaux de l’océan doivent pouvoir déterminer quelle fraction d'énergie est convertie en mélange irréversible dans un écoulement turbulent et stablement stratifié. Il apparaît que cette fraction est sensible aux paramètres de l’écoulement, ce qui a récemment conduit les océanographes à remettre en question la paramétrisation d'Osborn pour le coefficient de diffusion turbulente kz, qui utilise une efficacité de mélange constante et fixée à ŋ=0,17. Ceci nous a poussé à réaliser au laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) des mesures conjointes de ŋ et kz, afin de mieux comprendre leur inter-dépendance. Cette étude est avant tout expérimentale et se base sur plusieurs dispositifs permettant de quantifier le mélange dans différents types d'écoulement. Trois de ses expériences ont été réalisées au LMFA : une expérience de lock-exchange dans laquelle le mélange est issu du cisaillement à l'interface de deux courants de gravité se déplaçant en sens opposés, une expérience de grille tractée dans un fluide stratifié et une expérience d’injection de stratification dans la grille d’un canal hydraulique. Ce travail a été complété, d'une part par une collaboration sur la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble, permettant d’atteindre de plus grands nombres de Reynolds ; et d'autre part par une campagne de mesure in situ dans le fjord du Saguenay au Canada en collaboration avec l'ISMER, visant à estimer le mélange turbulent conduisant au renouvellement des eaux profondes du fjord, à partir de l'analyse de transects successifs de densité. Dans ces différentes configurations, l'évolution temporelle des profils verticaux de densité ont permis d'analyser la dépendance du coefficient de diffusion turbulente et de l'efficacité de mélange avec les nombres de Reynolds et de Froude. Nos résultats ont permis de quantifier la décroissance de l'efficacité de mélange avec l'augmentation du nombre de Froude dans un écoulement turbulent, ainsi que la sensibilité du coefficient de diffusion turbulente aux nombres de Froude et de Reynolds de flottabilité. L'utilisation de trois dispositifs expérimentaux différents permet de montrer qu'au-delà de ces lois dites universelles, la variabilité propre à chaque géométrie influence fortement les valeurs de l'efficacité de mélange. Ceci est particulièrement mis en lumière dans la configuration de lock-exchange, pour laquelle la valeur limite de ŋ=0.25 prédite par la physique statistique n'est atteinte que dans une configuration fortement tri-dimensionnelle, jusqu'alors peu utilisée dans la littérature. Enfin, toutes les méthodes d'analyse développées pour les expériences de laboratoire ont pu être utilisées pour l'analyse des données in situ, permettant de clore ce travail de thèse sur une étude environnementale. / Our climate partly depends on energy exchange between warm and cold water masses in the ocean's interior. In order to understand and forecast the climate variations, numerical models of the ocean must estimate the amount of energy converted into irreversible mixing in turbulent stably stratified flows. It seems that this quantity depends on the flow parameters. This assertion challenges the famous Osborn model for turbulent diffusivity kz which uses a fixed mixing efficiency of ŋ=0.17. This motivated us to measure separately kz and ŋ in order to obtain a better understanding of their inter-dependencies. The present work is an experimental study based on set-ups which enable to quantify the mixing in different types of flow. Three of those experiments are held in our lab (LMFA) and consist respectively in a lock-exchange experiment where mixing is generated by the shear at the interface of two opposite gravity currents, a stratified towed grid experiment, and a hydraulic channel experiment where the stratification is injected directly by the grid. This study has been complemented with two international collaborations. The first one, on the Coriolis platform (LEGI) consisted in a stratified towed grid experiment in a rotating tank allowing to broaden our parameter spectrum. The second one is a series of in situ measurements led in collaboration with ISMER in the Saguenay fjord (Canada) aiming at measuring density transects over time in order to quantify the turbulent mixing that participates in the renewal of the fjord's deep water. In all of those configurations, dependencies of mixing efficiency and turbulent diffusivity along with the Froude and the Reynolds numbers are extracted from the time evolution of density profiles. In our results, we were able to quantify the decay of the mixing efficiency with the increase of the Froude number. We also highlighted the sensitivity of turbulent diffusivity on the buoyancy Reynolds number. We used three different experimental setups to show that beyond the so called universal turbulence laws, the flow geometry has a huge impact on the mixing efficiency values. This is especially true in the lock-exchange configuration where the asymptotic value of ŋ=0.25, predicted by statistical physics, can only be reached in a set-up which allows 3D flows. Such investigations are still scarce in the literature. Finally, all the data analysis methods developed for the lab experiments were of great help for the analysis of in situ data and thereby enabled us to consider a real-life environnemental flow.