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.

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

$aCe manuscrit traite de la caractérisation numérique et expérimentale du comportement d’hydroliennes. D’un point de vue expérimental, des essais ont été réalisés au bassin à houle et courant de l’IFREMER de Boulogne-Sur-Mer, sur des maquettes d’hydroliennes tri-pales à axe horizontal. Des configurations comprenant une seule hydrolienne, d’une part, et deux hydroliennes alignées avec l’écoulement, d’autre part, ont été considérées pour une large gamme de TSR et, le cas échéant, de distances interhydroliennes. Le comportement des hydroliennes est analysé à la fois en termes de performances (coefficients de puissance et de traînée) et de développement du sillage. Les effets du taux de turbulence ambiante sont également examinés. Par ailleurs, des simulations numériques, obtenues à l’aide d’un code tridimensionnel instationnaire, fondé sur la méthode Vortex particulaire et développé au LOMC (UMR 6294, CNRS –Université du Havre) en partenariat avec l’IFREMER, sont présentées. Le code de calcul permet également d’étudier les performances et le sillage d’une hydrolienne. Ce dernier a été complètement réécrit dans le cadre de cette thèse et le support théorique et technique des différents aspects du code est fourni dans ce manuscrit, où la méthode Vortex telle qu’elle est utilisée dans le code est exposée en détail. / This manuscript deals with the numerical and experimental characterisation of the behaviour of marine current turbines. In the experimental part, trials were run at IFREMER’s wave and current flume tank in Boulogne-Sur-Mer, on prototypes of three-bladed horizontal axis turbines. Configurations with one single turbine on the one hand, and two turbines aligned with the incoming flow on the other hand, were considered for a large range of TSRs and, when relevant, of inter-device distances. The behaviour of the turbines is analysed in terms of performances (power and thrust coefficients) and development of the wake. The effects of the ambient turbulence intensity rate are also considered. Besides, numerical computations, obtained from a tridimensional unsteady software, based on the Vortex particle method and developed at the LOMC (UMR 6294, CNRS – University of Le Havre) in partnership with IFREMER, are presented. The numerical tool also enables to study the performances and the wake of a turbine. It was rewritten during this PhD and its technical and theoretical support is available in the manuscript, where the Vortex method, as it is used in the software, is described in details.

Ce travail de recherche a pour objectif de caractériser les pièces de la roue et de la trompette d’une turbine bulbe à partir d’un modèle réel. Suite à la reconstruction du modèle numérisé de la roue, cette géométrie sert de base pour le développement d’une aube instrumentée pour des mesures de pression. Un appareil de mesure laser sans contact est utilisé conjointement avec un bras de mesure portable de précision afin de récupérer les géométries du modèle sous forme de nuages de points. Ils sont ensuite traités dans un modeleur 3D afin d’obtenir la géométrie numérisée. Des analyses de déviations sont effectuées pour valider les modèles informatiques, quantifier les déviations et le respect de la norme CEI60193 par la roue. Une aube de roue instrumentée avec capteurs de pression embarqués est finalement développée pour investiguer les fluctuations de pression sur la roue en régime permanent et transitoire. / This research work deals with the geometry recovery of the runner and the draft tube of a bulb turbine, based on the real scale model. Once the geometry recovery of the runner completed, this computerized geometry allows to design an instrumented blade with embedded pressure sensors. A non-contact laser scanner on a precision measuring arm is used to create precise and detailed point clouds of the runner and draft tube geometries. Then, these point clouds are processed in a computer-aided design (CAD) software, in order to achieve a precise computerized geometry of the model. Deviation analyses allow to quantify the deviations so as to validate the CAD geometries and the IEC60193 standard agreement for the runner. Finally, a new instrumented blade with thirty embedded pressure sensors is developed so as to investigate pressure fluctuations in the runner in constant and transient operating conditions.

Afin de planifier le déploiement d'un parc d'hydroliennes en rivière et de maximiser son extraction d'énergie, des simulations de parc de turbines sont souvent effectuées. Cependant, dans un contexte où des dizaines de turbines sont déployées, il est impensable de simuler la géométrie complète de chaque turbine. Il est donc nécessaire d'utiliser des modèles simplifiés qui reproduisent fidèlement les turbines et qui intègrent toutes les principales interactions se produisant dans un parc de turbines, à savoir les interactions turbine-sillage, les effets de blocage et l'interaction avec la ressource. Le modèle EPTM (Effective Performance Turbine Model) est un outil approprié en ce sens, permettant de tester et d'analyser un grand nombre de configurations de parc différentes à un faible coût de calcul. Pour garantir une utilisation adéquate et fiable dans des conditions d'écoulement de rivière et de parc, l'EPTM a d'abord été validé et adapté, en se concentrant sur la technologie de turbine à axe transversal (Cross-Flow Turbine : CFT). Dans ce but, une méthodologie numérique a été développée pour reproduire les conditions d'écoulement de rivière et les conditions d'écoulement de parc (présence de perturbations). À l'aide de simulations complètes de turbine en 3D utilisant cette méthodologie, on constate qu'une turbine fonctionnant dans ces conditions voit une réduction de ses performances. Cependant, il s'avère que le coefficient de traînée effectif reste essentiellement inchangé, ce qui permet d'utiliser la même distribution de coefficients de force locale effectif dans toute situation. De plus, bien que le coefficient de puissance effectif apparaisse plus faible que pour une turbine dans des conditions d'écoulement idéalisées, il ne varie pas en fonction du type de perturbation et sa diminution est faible en conditions de surface libre. Ceci est important pour l'utilisation de l'EPTM, car le modèle simplifié est basé sur cette hypothèse. De multiples comparaisons entre l'EPTM et les simulations de turbine complète dans des conditions d'écoulement de rivière ou de parc ont confirmé que l'EPTM-CFT est toujours capable de prédire avec précision les performances des turbines et de reproduire leur sillage moyen avec un haut degré de fiabilité. Suite à cette procédure de validation, des simulations de parc de turbines ont été réalisées à l'aide de l'EPTM-CFT. Assumant un écoulement ambient turbulent, de nombreuses configurations de parc de turbines à axe vertical ont été testées pour étudier plus précisément l'effet du blocage local, de l'espacement latéral et longitudinal, du décalage latéral entre les rangées et du sens de rotation sur les performances des turbines. Les résultats ont montré que les effets de blocage doivent être considérés simultanément avec les interactions turbine-sillage, en particulier lorsque les turbines génèrent un sillage qui dévie latéralement en aval. Ce dernier aspect joue d'ailleurs un rôle important en vue de déterminer si les rangées devraient être décalées entre elles ou non. Pour un parc à plusieurs rangées, cet aspect affecte également la pertinence des différents paramètres utilisés. En effet, dans ce contexte, l'espacement latéral devient plus significatif que la valeur de blocage local. Pour aider à statuer sur l'espacement latéral et longitudinal optimal à fixer au sein d'un parc, un nouveau paramètre a été proposé : la puissance marginale par turbine. Comme de nombreuses variables économiques peuvent entrer en jeu, ce paramètre permet de quantifier l'avantage d'ajouter des rangées ou des colonnes de turbines par rapport à la puissance déjà installée. Enfin, il est possible, pour un parc de turbines optimal donné, d'évaluer son impact sur la ressource. Sur la base d'un vrai site en rivière, une simulation réaliste d'un parc de turbines en rivière a été effectuée en utilisant la méthodologie développée précédemment. Les résultats de la simulation, comparés aux résultats de simulations plus simplifiées, ont souligné qu'une géométrie de canal appropriée et une distribution juste de la vitesse d'entrée sont essentielles pour obtenir des performances de turbine fiables. S'il apparaît que la prise en compte de la surface libre a affecté de manière négligeable les performances du parc et le niveau d'eau en amont pour le cas considéré, il n'en reste pas moins que l'évaluation de l'impact sur la ressource est toujours pertinente puisque l'élévation du niveau d'eau peut être plus importante si le niveau de blocage ou le nombre de Froude sont plus élevés. / In order to plan a river hydrokinetic turbine array deployment and to maximize its energy extraction, turbine array simulations are often carried out. However, in a context where tens of turbines are deployed, it is unthinkable to simulate the complete rotating geometry of every turbine. It is therefore necessary to use simplified models that reproduce accurately the turbines and that incorporate all the main interactions taking place in a turbine array, namely the turbine-wake interactions, the blockage effects and the interaction with the resource. The Effective Performance Turbine Model (EPTM) is a suitable tool in that sense, allowing to test and analyze a large amount of different array configurations at a low computational cost. Although the EPTM has been developed to serve as a tool for array analysis, it has only been tested up to now in a uniform flow with a low turbulence level. For this reason, the EPTM has been validated and adapted in this work to ensure a proper and reliable use in river array flow conditions. Herein, the efforts has been mainly put on a cross-flow turbine (CFT) technology. First, a numerical methodology has been developed to reproduce river flow conditions and array flow conditions, which include shear, large-scale temporal fluctuations and (modeled) turbulence. Following 3D blade-resolved turbine simulations, it is found that a turbine operating in those conditions sees a reduction of its performance, especially when the shear aspect is present. However, it turns out that the effective drag coefficient remains essentially unchanged, allowing to use the same local effective force coefficient distribution in every situation. Moreover, although the effective power coefficient appears to be lower than for a turbine in idealized flow conditions, it does not vary depending of the type of perturbation and its decrease is small under free-surface conditions. This is important for the use of the EPTM, since the simplified model is based on this assumption. Multiple comparisons between EPTM and blade-resolved turbine simulations in river/array flow conditions have confirmed that the EPTM-CFT is always able to predict accurately the performances of the turbines and to reproduce their mean wake with a high degree of reliability. Following this validation procedure, a series of turbine array simulations have been conducted using the EPTM-CFT. Assuming a turbulent flow environment, many vertical-axis turbine array configurations have been tested to study more precisely the effect of local blockage, lateral and longitudinal spacing, array staggering and direction of rotation on turbine performance. Results have shown that all aspects of blockage, local and global, must be considered simultaneously with the possibility of turbine-wake interaction, especially when the turbines generate a wake that deflects sideways downstream. The latter aspect could play an important role in determining whether or not the array should be staggered. For a multiple-row array, this aspect also affects the relevance of the different array parameters used. Indeed, in this context, the lateral spacing becomes more meaningful than the local blockage value. To help decide on the optimal lateral and longitudinal spacing to set within an array, a new parameter has been proposed: the marginal power per turbine. As many economic variables can come into play, this parameter helps quantifying the benefit of adding rows or columns of turbines in comparison to the already installed power. Finally, it is possible, for an identified optimal turbine array, to assess its impact on the resource. Based on an actual river site, a realistic simulation of a turbine array in river has been performed using the methodology previously developed. The simulation results, compared with the results of more simplified simulations, have pointed out that an appropriate channel geometry and an accurate inflow velocity distribution are essential to obtain reliable array performances. Although it arises that taking into account the free surface has negligibly affected the array performances and the water level upstream for the case considered, it remains that the assessment of the impact on the resource is always relevant since the rise in the water level can be larger if the blockage ratio or the Froude number are higher.

Afin de contribuer au développement des connaissances et de l’industrie des énergies renouvelables hydrocinétiques, un nouveau projet de recherche à long terme a débuté récemment au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Ce projet porte sur l’optimisation de la configuration des parcs de turbines hydroliennes. Comme les techniques de modélisation se rapportant aux parcs de turbines n’ont été que peu étudié au LMFN par le passé, les objectifs du présent travail sont d’identifier une méthodologie de modélisation numérique permettant l’étude de parcs hydroliens à coût de simulation raisonnable et d’en vérifier la fiabilité. Inspirée de modèles numériques retrouvés dans la littérature scientifique disponible, une approche originale a été développée. Elle porte le nom de Effective Performance Turbine Model, ou EPTM. La fiabilité de cette approche de modélisation est évaluée par rapport à sa capacité à prédire correctement les performances moyennes des turbines ainsi que leur sillage. Des résultats de simulations numériques « haute-fidélité » qui incluent à grand coût la géométrie complète des turbines sont utilisés en guise de référence. La comparaison des prédictions de l’EPTM avec les résultats de référence démontre que cette approche de modélisation est appropriée tant pour les turbines à axe horizontale que celles à axe vertical opérant dans des conditions d’écoulement propre. En effet, de très bonnes prédictions de la vitesse de rotation optimale de la turbine, de son chargement moyen et de la puissance extraite sont obtenues avec l’EPTM. Le modèle permet aussi de bonnes prédictions du sillage rapproché de chacune des turbines étudiées. Par contre, l’approche stationnaire de modélisation de la turbulence utilisée au sein des simulations de l’EPTM se montre inefficace dans certains cas. De possibles raffinements au modèle sont discutés en guise de conclusion. / In order to contribute to the development of the hydrokinetic power industry, a new line of research has been initiated recently at the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. It is related to the optimization of turbine farm layouts. As the numerical modeling of turbine farms has been little investigated in the past at the LMFN, the objectives of this work are to develop a numerical methodology that will allow the study of turbine farm layouts at reasonable simulation cost and to verify its reliability. Inspired from numerical models found in the available literature, an original modeling approach is developed. This modeling approach is referred-to as the Effective Performance Turbine Model, or EPTM. The EPTM reliability is assessed in terms of its capacity to predict correctly the mean performances and the wake recovery of the turbines. The results of “high-fidelity” CFD simulations, which include at high cost the complete rotor geometry, are used as a reference. Results of the performance assessment show that the EPTM approach is appropriate for the modeling of both axial-flow (horizontal-axis) turbines and cross-flow (vertical-axis) turbines operating in clean flow conditions. Indeed, the EPTM provides very good predictions of the value of the optimal angular speed at which the rotor should be rotating to operate near maximum power extraction, the magnitude of the mean forces acting on the turbine and the mean power it extracts from the flow. The EPTM also succeeds to generate the adequate nearwake flow topology of each of the reference turbine investigated. However, the steady turbulence modeling approach used in the EPTM simulations appears inadequate in some cases. Possible model improvements are discussed as a conclusion.

Le laboratoire auquel j'appartiens s'intéresse depuis un certain temps à une nouvelle technologie d'hydrolienne à ailes oscillantes (HAO) et a mené plusieurs études numériques sur le sujet, mais celles-ci n'ont jamais considéré les effets de confinement et de surface libre (effet du nombre de Froude) inhérents aux rivières. L'intérêt est donc ici d'étudier le comportement de l'HAO dans ce contexte et de développer une meilleure compréhension des écoulements à surface libre. Non seulement il est important de mieux saisir la physique associée à l'opération d'une turbine hydrocinétique en rivière, mais il est aussi avantageux de pouvoir prédire à l'avance les forces et la puissance d'une turbine réelle installée sur un site spécifique. Puisqu'il existe déjà un modèle 1D, stationnaire et non visqueux permettant de prédire les performances en milieu confiné d'une turbine idéale uniforme, il est possible d'en tirer profit pour mieux envisager l'impact du lit de la rivière et de la surface sur une turbine réelle. D'abord, la validité du modèle 1D est testée à l'aide de simulations numériques 2D et 3D utilisant une méthode CFD multiphase combinée à une approche par puits de quantité de mouvement. Ces simulations montrent que dans la plage d'opération typique d'une turbine, la théorie reste valide en dehors des hypothèses 1D et non visqueux. Elles confirment également que la présence d'une turbine en rivière crée une hausse du niveau de l'eau en amont de celle-ci, occasionnant du même coup un ralentissement de l'écoulement. Cela a pour effet de diminuer l'estimation initiale des forces et des puissances basé sur l'écoulement non perturbé. De plus, des calculs URANS 2D de turbines à ailes oscillantes alliant des techniques de maillages mobiles et de remaillage sont présentés afin d'établir que ce genre de turbine suit les mêmes tendances que la théorie 1D face au confinement. Cependant, les performances du puits idéal de quantité de mouvement augmentent plus vite en milieu confiné que pour une HAO. Les simulations mettent également en lumière qu'au-delà de trois longueurs de corde sous la surface, celle-ci n'a que des effets minimes sur les performances et elles confirment que le point d'opération optimal d'une turbine dépend du confinement. Enfin, comme HAO est une technologie instationnaire, il est difficile de développer un modèle permettant de prédire les performances d'une telle turbine en fonction du confinement. Bien qu'un modèle ait pu être développé ici, celui-ci n'est pas encore parfait et évalue incorrectement la traînée une fois la turbine confinée. Des pistes pour améliorer le modèle actuel sont proposées et discutées. / The laboratory to which I belong has long been interested in a new technology of hydrokinetic turbine using oscillating foils (HAO) and has conducted several numerical studies on the subject, but never with consideration of free surface (Froude number effects) and blockage effects. The interest here is to study the turbine HAO in this context and to get a better understanding of open-channel flows. Not only it is important to better understand the physics associated with the operation of hydrokinetic turbines in rivers, but it is also advantageous to be able to predict the forces and power of a real turbine installed in a specific site. Since there already exists a 1D, stationary and nonviscous model to predict the performances of an ideal uniform turbine in blockage and surface proximity conditions, it is possible to build on it to better address the impact of the river bed and the free surface on a real (nonideal) turbine. First, the validity of the 1D model is tested against 2D and 3D numerical simulations using a multiphase CFD method and an actuator disc approach. These simulations show that within the typical operating range of a turbine, the theory remains valid outside its 1D and nonviscous assumptions. They also confirm that the presence of a turbine in a river creates a swelling up of the water level upstream of the turbine, causing at the same time a slowdown of the upstream flow. This yields a decrease in the initial guess of forces and power based on the undisturbed flow. Further, 2D URANS calculations of oscillating foils turbines HAO combining moving meshes and remeshing techniques are presented to establish that this kind of turbine follows the same trends as the 1D theory relative to blockage effects. However, as the theory implies an ideal uniform momentum sink, performances of the latter grow faster than an actual HAO in a confined flow. The simulations also highlight that beyond three chord lengths beneath the surface, the latter has only minimal effects on performances. They also confirm that a turbine must be optimized according to the blockage ratio. Finally, as HAO is an inherently unsteady technology, it is particularly difficult to develop a simple model well suited to such turbines that can predict accurately its performances as a function of blockage ratio. Although one has been developed in this work, it is not perfect yet and incorrectly evaluates drag in a confined flow context. Avenues to improve the current model are proposed and discussed.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des énergies renouvelables au sein du programme HARVEST centré sur le développement d'un concept d'hydrolienne dérivé des turbines Darrieus et Gorlov. L'ajout d'un dispositif appelé carénage à la turbine permet à celle-ci d'extraire une portion de l'énergie cinétique du courant plus grande. Toutefois ce dernier peut favoriser la cavitation qui nuit à la turbine. Parmi les différents axes du programme, les travaux de thèse se situent dans cette problématique. En régime subcavitant et cavitant, l'analyse de l'hydrolienne a été menée suivant une approche numérique et expérimentale. Pour ce faire deux outils ont été mis en place. Du coté expérimental, le tunnel hydrodynamique du LEGI a été équipé d'une balance qui donne la mesure instantanée des forces et du couple qui s'exercent sur la turbine. Du coté numérique, les efforts ont été orientés sur l'amélioration et le développement du code de calcul universitaire, CAVKA. L'utilisation intensive de ces deux moyens, couplée à des modèles théoriques, a permis de mettre en évidence d'une part le fonctionnement de la turbine libre ou carénée et, d'autre part, les limites de fonctionnement vis-à-vis de la cavitation.

Les hydroliennes font partie des dispositifs innovants d’énergie qui pourraient contribuer à ladiversification de la production d’électricité d’origine renouvelable. Les travaux réalisés dans le cadrede cette thèse avaient pour objet l’hydrolienne HARVEST, type d’hydrolienne constitué de turbines àflux transverse carénées ; il s’agissait, à partir d’un prototype complet, d’analyser l’interaction desdifférents phénomènes physiques mis en jeu et étudiés séparément jusqu’à lors, de valider les outilsnumériques développés au laboratoire LEGI et plus généralement de démontrer l’intérêt du concept.Ce prototype a été conçu, fabriqué, installé et testé dans un canal EDF à ciel ouvert situé près deGrenoble. Les résultats obtenus sont très encourageants en matière de performance énergétique, decomportement mécanique et de maîtrise de l’impact sur le cours d’eau. Ce mémoire se clôt par desconclusions d’ordre technologique des travaux présentés et sur une ouverture sur les possibilitésd’industrialisation du concept. / Instream water turbines belong to the innovative energy which could contribute to the diversificationof renewable power sources. Works done during this thesis aims at contributing to the overallobjective of developing the HARVEST turbine, a cross flow ducted turbines concept, in realizing andtesting an entire prototype to demonstrate the value of the concept, to understand physicalphenomena involved and to validate the numerical applications developed in the laboratory LEGI.This prototype has been put and tested in an EDF open channel near Grenoble. The results are veryencouraging in terms of energy performance, mechanical behavior and control of the impact on thewater channel. This memory is ending with technological conclusions on the presented work andopenings on the possibilities of industrialization of the concept.