Dans le cadre de la production d'électricité par énergie renouvelable, cette thèse a pour objectif de contribuer à l'amélioration des performances hydrodynamiques des hydroliennes à flux transverse conçues par HydroQuest. Pour y parvenir, deux axes d'étude principaux sont proposés. Le premier consiste à améliorer la compréhension de la performance de l'hydrolienne et de l'écoulement en son sein par voie numérique. L'influence du paramètre d'avance ainsi que celle de la solidité de l'hydrolienne sont étudiées. Les écoulements mis en jeux étant complexes, une méthode de type Simulation des Granges Échelles 3D est utilisée afin de les restituer au mieux. Le phénomène de décrochage dynamique, qui apparaît pour certains régimes de fonctionnement de l'hydrolienne, fait l'objet d'une étude à part entière sur un cas de profil oscillant.Le second axe se concentre sur les carénages de l’hydrolienne qui font l'objet d'une procédure d'optimisation numérique. Afin de pouvoir réaliser les nombreuses simulations requises en un temps réaliste, des méthodes de type Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes 2D moins coûteuses et fournissant une précision suffisante pour ce type d'étude sont utilisées. / Within the renewable electricity production framework, this study aims to contribute to the efficiency improvement of the Vertical Axis Hydrokinetic Turbines designed by HydroQuest. To achieve this objective, two approaches are used. The first consists in the improvement of the comprehension of the turbine efficiency such as the flow through the turbine by numerical means. The influence of the tip speed ratio such as the turbine soldity are investigated. The flow through the turbine is complex. A 3D Large Eddy Simulation type is thus used. The dynamic stall phenomenon which could occur in Vertical Axis Hydrokinetic Turbines is also studied in a oscillating blade configuration.The second approach consists in the numerical optimization of the turbine channeling device. To perform the high number of simulations required, a 2D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulation type is used.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des énergies renouvelables au sein du programme HARVEST du laboratoire LEGI, qui consiste à développer un concept d'hydrolienne de type Darrieus. L'hydrolienne peut être équipée d'un dispositif appelé carénage afin de transformer une portion plus grande de l'énergie cinétique contenue dans le courant d'eau en électricité. Les travaux présentés se sont focalisés sur ces systèmes de carénage, autour de trois axes : l'explication du principe de fonctionnement hydrodynamique du carénage, la quantification des performances de l'hydrolienne carénée et la mise en évidence des grandeurs géométriques clés du carénage permettant d'améliorer ou d'optimiser la performance du système. Toutes les études ont été réalisées à l'aide des calculs RANS 2D et des données expérimentales mises à disposition et, comparées aux résultats obtenus pour une hydrolienne non-carénée. / The general context of the present thesis is renewable energies within the HARVEST program initialized at LEGI laboratory, which consists in developing a Darrieus-type water current turbine (WCT). The WTC can be equipped with a channelling device which allows transforming a bigger amount of the kinetic energy contained in the flowstream into electricity. The present work is focused on the channelling devices. Studies concern three main topics: the explanation of the channelling device hydrodynamic functioning, the evaluation of the performance of the shrouded WCT and the revealing of the system geometrical parameters which allow its improvement or optimisation. All studies have been carried out by 2D RANS calculations and available experimental data, and have been compared to bare WTC results.

Le but de cette thèse est l'optimisation du contrôle commande d'un système hydraulique réversible à vitesse variable. L'approche est d'abord traitée par simulation dynamique pour finir ensuite par validation expérimentale sur maquette physique temps réel hybride basée sur l'émulation (PHIL). La partie simulation concerne la modélisation des différents éléments de la microcentrale hydraulique tel que la turbine, la génératrice et l'interface d'électronique de puissance ainsi que le développement des lois de commande et la synthèse des différents régulateurs. Deux stratégie de contrôle ont été étudié, la première dite commande en vitesse associé à un algorithme MPPT adaptatif développé au cours de la thèse et la deuxième dite en puissance. Le management des contrôles commandes pour assurer la fonction de secours (backup) de la microcentrale hydraulique a été simulé et validé expérimentalement. Et enfin la transition rapide entre les deux modes de fonctionnement d'une petite station de transfert d'énergie par pompage a été proposé et validé par émulation sur la maquette physique. / The purpose of this thesis is to optimize the control command of a reversible variable speed hydraulic system. The approach is first treated by dynamic simulation and then finish by experimental validation on hybrid physical model based on real-time emulation (PHIL). The simulation part concerns the modeling of different elements such as micro-hydro turbine, generator and the power electronics interface and the development of control laws and synthesis of different regulators. Two control strategies were studied, the first so-called speed control associated with an adaptive MPPT algorithm developed during the thesis and the second strategy is based on power control. Management controls to ensure failover (backup) of the micro-hydro has been simulated and validated experimentally. And finally the rapid transition between the two modes of operation of a small variable speed pumped storage was proposed and validated by emulation on the physical model.

L'exploitation de l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux est une source d'énergie prometteuse et renouvelable. Les performances hydrodynamiques des hydroliennes sont à ce jour bien connues et l'attention se porte sur la compréhension des phénomènes de parc et l'interaction entre machines. Ce document présente la construction d'un modèle simplifié (ou méthode d'équivalence) pour les turbines à axe de rotation vertical. Une étape préliminaire consiste à valider l'utilisation de la méthode de maillage rotatif proposée par Code_Saturne (solveur CFD open source). La simulation de la turbine Darrieus/Achard A10 en 2D met en évidence une bonne concordance des mesures expérimentales (PIV). Cet outil sert dans une seconde étape à mettre au point un modèle simplifié de ces mêmes turbines. Celui-ci consiste à représenter la turbine dans l'écoulement par son équivalent en termes sources de quantité de mouvement sur la base d'une paramétrisation efficace des données empiriques. La méthode est validée pour une large plage de vitesses de rotation et de confinements, et sur plusieurs machines. La représentation du sillage par par les deux méthode de simulation est ensuite étudiée en détail. Des mesures par la technique de LDV dans le sillage proche d'un modèle réduit sont effectuées et établissent une référence expérimentale nécessaire pour ce type de machine. La dépendance forte des deux méthodes de simulation aux paramètres et aux modèles de turbulence est constatée. Deux phénomènes principaux sont relevés : la diffusion turbulente et les instabilités à grandes échelles. Des calculs de rendement sur des dispositions de machines variables illustrent l'applicabilité du modèle. Ils mettent notamment en avant l'effet positif de l'intensité turbulente ambiante sur le rendement dans un parc. / Harnessing kinetic energy from oceans or rivers is a promising source of renewable energy. The hydrodynamical performance of water turbines is well known and the focus is now on array optimization and turbine interaction. The present document aims to introduce a new modeling solution for vertical axis water current turbine of Darrieus/Achard type and its construction methodology. A preliminary stage consists in the validation of the new sliding mesh method available in Code_Saturne, EDF CFD open source solver. The good results obtained by comparison with PIV measurements on the Achard type turbine allow the use of this method as a reference tool. The second stage sees the construction of an equivalence model for the Darrieus turbine using momentum source terms. These terms are calculated thanks to an efficient parametrization of empirical data. The comparison of the model with full geometry calculation shows a good agreement in terms of power for a wide range of rotational velocity and blocking ratio. LDV measurements in the near wake of a small scale Achard turbine give a necessary reference set of data. The wake given by both simulations is strongly dependent of turbulence parameters or models, with the cohabitation of two main phenomena : momentum turbulent diffusion, and large scale fluctuations. To conclude, a calculation of the power output for several turbine distributions in an array illustrates the model capability.

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables, les énergies marines suscitent un grand intérêt. Parmi elles, les courants de marée paraissent constituer une ressource intéressante du fait de la densité de l'eau de mer et de la possibilité de prévoir les oscillations de marée à un endroit donné. Pour une turbine à axe vertical et en accord avec le partenaire industriel, les contraintes à l'échelle de la section de pale incluent la bidirectionnalité de l'écoulement, l'état de surface ainsi que la turbulence amont. La première partie du travail présentée ici s'est donc attachée à étudier deux solutions permettant de répondre à la bidirectionnalité de l'écoulement à l'échelle d'une section de pale. Un profil bidirectionnel spécifique a ainsi été comparé à un NACA 0015 en écoulement directe et inversé. La seconde partie s'est attachée à caractériser l'effet de la rugosité de surface et de la turbulence amont sur les propriétés d'un profil unidirectionnel spécifiquement développé pour les turbines à axe horizontal. Les deux sujets ont été abordés sur des profils académiques 2D, au travers d'une approche expérimentale originale et d'étude numériques. Des calculs tout turbulents et avec prise en compte de la transition ont été comparés à des mesures d'effort par balance, couplés à des observations de l'écoulement par PIV. Le foil bidirectionnel ainsi que le foil NACA en écoulement direct et inversé ont montrés des comportements singuliers qui pénalisent leurs performances dans l'optique d'une utilisation en tant que section de pale. A partir d'une valeur seuil, la hauteur de la rugosité de surface a montré engendrer un changement profond de la nature de l'écoulement autour du foil unidirectionnel. Finalement, il a été observé que la turbulence amont modifiait modérément les propriétés de ce type de foils, mais de façon moins significative à l'échelle de la pale. / In a context of development of renewable energies, there is a growing interest in marine energies. Among them, tidal currents are promising due to the density of seawater and the predictability of tidal oscillations at a given location. For horizontal axis tidal turbines and according to the industrial partner, constraints at the blade section scale include bi-directionality of the flow, surface roughness and upstream turbulence. The first part of the present work studied two solutions to achieve bi-directionality of the flow at the blade section scale. A specific bi-directional hydrofoil was compared to a NACA 0015 in forward and reversed flow. The second part focussed on the effect of surface roughness and upstream turbulence on a unidirectional blade section designed for current turbines. Both studies were carried out on academic two-dimensional hydrofoils, using both numerical investigation and a specifically developed experimental approach. Computations using fully turbulent and transition models were compared to balance force measurements coupled with PIV flow observations. The bidirectional foil as well as the NACA foil in forward and reversed flow, showed specific behaviours that could considerably reduce their performances for a use as a tidal turbine rotor. Roughness height was also observed to deeply change the foil properties, beyond a critical height. Finally, upstream turbulence resulted in moderate performance changes, less significant at the machine scale.

Le développement des énergies renouvelables passe par l’exploitation de nouvelles sources d’énergie. La filière hydrolienne, dédiée à la récupération de l’énergie des courants de marée, est proche de l’industrialisation. Cependant, les conditions hydrodynamiques turbulentes des sites hydroliens sont encore mal connues. Cette thèse propose d’examiner à l’échelle locale l’effet des rugosités du fond marin sur la génération de tourbillons hautement énergétiques par la simulation numérique en mécanique des fluides de type méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode est particulièrement adaptée à la simulation d’écoulements instationnaires sur un domaine de simulation complexe. Dans un premier temps, les phénomènes physiques de détachements tourbillonnaires sur des macro-rugosités canoniques sont décrits. L’appariement de structures tourbillonnaires est mis en évidence dans le processus de formation de tourbillons hautement énergétiques. Dans un deuxième temps, la simulation permet d’observer de tels phénomènes dans le cas d’écoulements environnementaux intégrant une bathymétrie réelle. Ces simulations, validées par rapport à des mesures in situ, mènent à une meilleure compréhension des effets du fond marin sur la turbulence en milieu hydrolien. En particulier, l’importance des failles géologiques dans la génération de turbulence dans la zone d’étude est mise en évidence. / Renewable energy development calls for exploitation of new energy resources. Tidal stream power harvesting is now close to the industrialisation step. Still, turbulent hydrodynamic conditions at tidal sites are not well understood. This thesis aims to investigate the local scale effect of sea bottom roughnesses on energetic vortex generation with computational fluid simulations using the lattice Boltzmann method. This method is highly indicated for unsteady flow simulations of complex domains. First, the physical phenomena involved in vortex emission around canonical macroroughnesses are described. Vortex merging is identified in the generation process of energetic vortices. Then, such physical events are reproduced in the case of environmental flow simulations using a real seabed morphology. These simulations are validated on in situ measured data, and lead to a better understanding of the sea bottom effect on tidal stream site turbulence. They demonstrate the role of geological faults on the local turbulence.

Cette thèse vise à étudier les effets de la transition laminaire - turbulent et du contrôle actif de l’angle de calage des pales sur les performances de l’hydrolienne à axe transverse SHIVA (Système Hydrolien Intelligent à Variation d’Angle) développée à l’institut de Recherche de l’Ecole-Navale (IRENav). L’écoulement transitionnel autour d’un hydrofoil est, d’abord étudié en comparant des résultats expérimentaux et numériques. Les résultats expérimentaux ont été obtenus dans le tunnel hydrodynamique de l’IRENav. La transition s’effectue par un mécanisme de bulbe de séparation laminaire. Les comparaisons sont fondées sur l’analyse locale des pressions, des profils de vitesse dans la zone du bulbe de séparation laminaire et sur l’analyse des portances, traînées et moments mesurés sur un profil fixe et en mouvement de tangage forcé. Des calculs RANS 2D, avec et sans modèle de transition (ɣ— Reo), RANS 3D et LES 2.5D ont été menés afin de comparer les approches et évaluer la précision des simulations. L’étude montre que le modèle de transition ɣ — Reo améliore nettement les résultats obtenus par rapport à un modèle tout turbulent (k — w SST) dans le cas d’un écoulement transitionnel. L’influence de la transition laminaire - turbulent sur les performances de la turbine SHIVA est ensuite étudiée en comparant les résultats de calculs effectués avec et sans modèle de transition. L’approche est bidimensionnelle. L’utilisation du modèle de transition est intéressante au paramètre d’avance ʎ = 2 pour lequel les pales subissent un décrochage dynamique important. Le développement du tourbillon de bord d’attaque, favorisé par le modèle de transition, permet en effet une meilleure prédiction du décrochage. Les valeurs de ʎ supérieures sont moins concluantes du fait de la prédiction d’une tramée trop faible par le modèle de transition. Enfin, l’influence du contrôle actif du calage des pales sur les performances de la turbine est étudiée au point de fonctionnement optimal de la turbine ʎ = 3. Des lois de calage avancées sont développées, permettant d’agir indépendamment sur la moitié amont ou aval de la turbine. La meilleure loi testée permet une augmentation du coefficient de puissance de 34% tout en lissant la répartition du couple. / This work studies the laminar-turbulent transition and the pitch control effects on the performances of a vertical axis tidal turbine (SHIVA) developed at the French naval academy research institute. Firstly, experimental and numerical results are compared to study the transitional flow around a hydrofoil. The experiments were carried out in the hydrodynamic tunnel of the French naval academy research institute and the laminar-turbulent transition was triggered by a laminar separation bubble mechanism. Comparisons are based on the local analysis of pressure data and velocity profiles in the vicinity of the laminar separation bubble. Lift, drag and moment coefficients measured on a fixed hydrofoil and on a hydrofoil undergoing a pitching movement are also used for comparison. 2D RANS calculations carried out with or without a transition modal (ɣ — Reo), 3D RANS calculations and 2.5D LES calculations were run so as to assess the accuracy of each type of simulation. This study shows that the ‘y Reo transition modal clearly improves the accuracy of the results compared to a fully turbulent turbulence model (k— w SST) when considering a transitional flow. The influence of the laminar-turbulent transition on the performance of the SHIVA turbine is then studied. Results of 2D calculations run with and without transition model are compared. The use of the transition modal is relevant at the tip speed ratio value ʎ = 2 for which the blades undergo dynamic stall. The transition modal leads to a better prediction of the leading edge vortex development and then allows a better prediction of the dynamic stall. The use of the transition model at higher ʎ values is less relevant since the transition modal appears to predict a drag too low. Finally, the effect of the pitch control on the SHIVA turbine performance is .studied at ʎ = 3, for which the power coefficient is the highest. Advanced pitching laws are developed to modify the blades’ angle of attack independently on the upstream and downstream halves of the turbine. The best pitching law tested in this study leads to an improvement of the power coefficient by 34% and smooths the torque distribution.

La capacité des systèmes conventionnels de production d'énergie éolienne et marémotrice à fournir au réseau une énergie fiable et stable à tout moment est un nouveau défi en raison des fluctuations météorologiques, qui ont un impact significatif et direct sur la production d'énergie. C'est pourquoi l'hybridation des systèmes de production d'énergie éolienne et hydrolienne ont été étudiées pour améliorer l'intégration des énergies éolienne et marémotrice sur le réseau électrique.Cette étude nous a amené à développer des contributions liées à deux axes principaux :Le premier axe est focalisé sur un nouveau concept d'hybridation de deux sources énergétiques différentes en termes de propriétés physiques, l’éolien et l’hydrolienne à axe horizontal, basé sur un couplage électromécanique de ces deux systèmes. Les deux ressources sont l’énergie éolienne et l’énergie des courants marins. Le concept est développé en utilisant les similitudes fonctionnelles des turbines et les similarités en conversion d’énergie de leurs chaînes énergétiques. Pour appliquer ce concept en premier lieu, les paramètres de la génératrice asynchrone à double alimentation installée dans l’émulateur du GREAH sont identifiés. Ensuite, la chaîne de conversion de puissance est modélisée mathématiquement et simulée dans un environnement MATLAB / SIMULINK. Nous avons développé deux stratégies de commande.Une stratégie à vitesse fixe appelé "Contrôle direct de la vitesse", et une stratégie à vitesse variable basée sur la recherche de puissance maximale, dénommée "Contrôle indirecte de vitesse". Enfin, ce concept a été implémenté pratiquement sur l’émulateur en temps réel du laboratoire. Les résultats obtenus ont été analysés et discutés suite à ces travaux.Le deuxième axe est consacré à un concept que l’on appelle «temps accélérée» de simulation ou « temps virtuel ». Par la suite, ce concept a été mis en œuvre sur l’émulateur multi physique disponible au laboratoire GREAH. Ce concept (temps accélérée) est basé sur la réduction des échantillons de profil de vent afin de diminuer le temps de simulation et faciliter la commande en temps réel.Les résultats principaux sont obtenus d’abord dans MATLAB / SIMULINK, puis ont été vérifiés sur l’émulateur en temps réel. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le concept d’hybridation éolienne offshore / éolienne basée sur la flexibilité d’un émulateur multifonctions permettant diverses architectures d’émulation : éoliennes, éoliennes, et systèmes hybrides éoliennes - éoliennes. Nous analysons son impact sur la puissance de sortie du système. Les résultats obtenus sont corrélés aux profils de vitesse du vent et des marées, dans lesquels les propriétés statistiques ayant un impact sur les chaînes énergétiques mondiales pourraient être complémentaires et en particulier en fonction des sites donnés.Contributions principales et perspectives- Développement du concept de couplage électromécanique. Lorsque deux sources d’énergie renouvelables sont « intégrées », on stabilise la fluctuation rapide de la puissance générée, mais sous certaines conditions telles que la présence d’unités de stockage ou d’un système d’embrayage automatique.- Le concept temps accéléréeCette méthode est utilisée pour réduire la taille des données enregistrées du vent ou des courant marins, afin d’accélérer le temps de simulation des unités de production d'énergie avec des résultats raisonnables qui se rapprochent pertinemment des situations réelles.- Etudier et développer le concept de régime d’arbre électrique :Si le couplage électromécanique est difficile à réaliser du point de vue mécanique et que les découplages à arbre unique sont trop fréquents et que les contraintes mécaniques sont élevées, on peut étudier le régime de l'arbre électrique avec deux machines à induction DFIG. Le système peut fonctionner en mode synchrone avec des structures et configurations spécifiques. / The ability of conventional wind and tidal generation systems to provide the grid with reliable and stable power at all times is a new challenge due to weather fluctuations, which have a significant and direct impact on energy production. This is why the hybridization of wind and tidal power generation systems has been studied to improve the integration of wind and tidal power into the electricity grid.This study led us to develop contributions related to two main axes:The first axis is focused on a new concept of hybridization of two different energy sources in terms of physical properties, wind and horizontal axis turbines, based on an electromechanical coupling of these two systems. The two resources are wind energy and marine energy. The concept is developed using the functional similarities of turbines and similarities in energy conversion of their energy chains. To apply this concept first, the parameters of the double fed asynchronous generator installed in the GREAH emulator are identified. Then, the power conversion chain is modeled mathematically and simulated in a MATLAB / SIMULINK environment. We have developed two control strategies.A fixed speed strategy called "Direct Speed Control", and a variable speed strategy based on the search for maximum power, called "Indirect Speed Control". Finally, this concept has been implemented practically on the real-time emulator of the laboratory. The results obtained were analyzed and discussed following this work.The second axis is devoted to a concept called "accelerated time" simulation or "virtual time". Subsequently, this concept was implemented on the multi-physics emulator available at the GREAH laboratory. This concept (accelerated time) is based on reducing wind profile samples in order to decrease simulation time and facilitate real-time control.The main results are obtained first in MATLAB / SIMULINK, then verified on the emulator in real time.The main objective of this thesis is to study the concept of offshore wind / tidal turbine hybridization based on the flexibility of a multi-function emulator that allows various emulation architectures: wind turbines, tidal turbines, and hybrid wind - tidal turbines systems. We analyze its impact on the output power of the system; the obtained results are correlated with wind and tidal speed profiles, in which statistical properties impacting global power chains could be complementary and in particular in function of the given sites. Main contributions and perspectives- Development of the concept of electromechanical coupling.When two renewable energy sources are "integrated", the rapid fluctuation of the power generated is stabilized, but under certain conditions such as the presence of storage units or an automatic clutch system.- The accelerated time conceptThis method is used to reduce the size of the recorded wind or sea current data, to speed up the simulation time of the power generation units with reasonable results that are close to actual situations.- Study and develop the concept of electric shaft regime: If the electromechanical coupling is difficult to achieve from the mechanical point of view and the single shaft decouples are too frequent so high mechanical stress, one can study the electric shaft regime with two DFIG induction machines.There is a regime in which the ratios between the speeds of the different machines are rigorously constant. The system can operate in synchronous mode with specific structures and configurations.

La récupération, grâce aux hydroliennes, de l’énergie cinétique de courants marins et fluviaux constitue une source d’énergie renouvelable considérable et prédictible. La simulation fine, par une description statistique instationnaire de type URANS, de l’écoulement autour d’une hydrolienne isolée à axe vertical, bi-rotor et munie d’un carénage (hydrolienne de type HARVEST) donne accès à une estimation précise de la puissance produite. Cependant, le coût élevé de cette approche URANS la rend inadaptée à la simulation d’un parc de machines. Une analyse de la littérature conduit à retenir un modèle basse-fidélité de type Blade Element Momentum (BEM) pour décrire à moindre coût l’effet du rotor de la turbine sur l’écoulement, dans le contexte d’une description 2D (coupe horizontale). La performance de l’hydrolienne est alors prédite par un calcul RANS incluant des termes sources distribués dans un anneau rotor virtuel et conservant le maillage des parties fixes (carénage). Ces termes sources sont construits grâce à une procédure originale exploitant les conditions locales de l’écoulement en amont des cellules du rotor virtuel et le débit de l’écoulement traversant l’hydrolienne. Les coefficients hydrodynamiques utilisés pour le calcul des termes sources BEM-RANS sont construits une fois pour toutes en exploitant une série de simulations URANS préliminaires ; ils intègrent les effets du carénage et le fonctionnement de chaque rotor à une vitesse de rotation optimale (maximisant la puissance produite) grâce au système de régulation de l’hydrolienne. Le modèle BEM-RANS développé est validé par comparaison avec des simulations URANS de référence : il fournit une estimation fiable de la puissance produite (erreur de quelques % par rapport à l’approche URANS) pour un coût réduit de plusieurs ordres de grandeur. Ce modèle est appliqué à l'analyse de la puissance produite par une rangée d’hydroliennes HARVEST dans un canal pour différents facteurs de blocage et d’espacement latéral ainsi qu’à une ferme marine composée de trois hydroliennes. / The capture, thanks to hydrokinetic turbines, of the kinetic energy generated by sea and river currents provides a significant and predictable source of renewable energy. The detailed simulation, using an unsteady statistical description of URANS type, of the flow around an isolated water turbine of HARVEST type (cross flow vertical axis ducted water turbine) provides an accurate estimate of the power output. However, the cost of the URANS approach is much too expensive to be applied to a farm of several turbines. A review of the literature leads to select a low-fidelity model of Blade Element Momentum (BEM) type to describe at a reduced cost the rotor effect on the flow, in a 2D context (horizontal cross-section). The turbine performance is then predicted using a steady RANS simulation including source terms distributed within a virtual rotor ring and preserving the mesh of the turbine fixed parts (duct). These source terms are derived using an original procedure which exploits both the local flow conditions upstream of the virtual rotor cells and the flow rate through the turbine. The hydrodynamic coefficients used to compute the BEM-RANS source terms are built once for all from a series of preliminary URANS simulations; they include the effects of the duct on the flow and the rotor operating at optimal rotational speed (maximizing the power output) thanks to the turbine regulation system. The BEM-RANS model is validated against reference URANS simulations: it provides a reliable prediction for the power output (within a few % of the URANS results) at a computational cost which is lowered by several orders of magnitude. This model is applied to the analysis of the power produced by a row of Vertical Axis Water Turbines in a channel for various values of the blockage ratio and lateral spacing as well as to a 3-machine sea farm.

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée. / Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.