La thèse présentée dans ce document concerne la caractérisation du comportement d’une hydrolienne à membrane ondulante. Ce dispositif novateur utilise les instabilités de flottement d’une membrane semi-rigide précontrainte dans un écoulement pour capter l’énergie des courants marins. À partir d’une certaine vitesse critique de l’écoulement, une onde se propage le long de la structure, ce qui actionne des convertisseurs linéaires fixés sur celle-ci. Un modèle expérimental à échelle réduite 1/20eme est développé et testé en bassin d’essai. Le système de conversion est simulé par des amortisseurs hydrauliques. Les mesures de trajectoire et d’efforts permettent d’analyser la dynamique de la membrane pour un grand nombre de configurations et d’aboutir à une étude paramétrique. Des conditions réalistes d’écoulement sont étudiées, notamment l’influence de la direction du courant et celle de la houle sur le fonctionnement du système. La caractérisation du sillage est effectuée par mesures de vélocimétrie laser en 2D. Les effets d’échelle sont présentés à travers une comparaison des essais en bassin et en mer. Un modèle analytique et un modèle numérique sont développés et comparés avec les résultats d’expériences. Le modèle analytique linéaire est basé sur la théorie des poutres de Euler-Bernouilli et la théorie des profils minces de Lighthill. Il est résolu dans le domaine fréquentiel et donne de bons résultats en termes de fréquence d’ondulation et de vitesse critique. Le modèle numérique est fondé sur le couplage fort entre un code fluide basé sur la méthode vortex et un code structure utilisant les éléments finis en corotationnel. Ce modèle est validé sur un cas expérimental. / The thesis presented in this document deals with the characterization of the behavior of an undulating membrane tidal energy converter. This kind of device uses the flutter instabilities occurring between a semi-rigid pre-strained membrane and a fluid flow in order to convert the sea currents energy. Above a certain critical flow speed, the structure undulates, thus activating the linear converters fixed on it. In order to study this system, an experimental model is developed and tested in a flume tank. The power conversion system is simulated by hydraulic dampers. The membrane’s dynamics is analyzed in many configurations through trajectory and force measurements, and leads to a parametric study. More realistic flow conditions are also studied, such as the impact of current direction influence and the influence of surface waves on the behavior of the system. Wake characterization is carried out with two-dimensional PIV measurements. Scale effects and confinement are also studied through a comparison with a bigger scale prototype tested in tank and at sea.In addition to the experimental study, an analytical model and a numerical model are developed and compared with experiments. The linear analytical model is based on Euler-Bernouilli’s beam theory and on Lighthill’s slender body theory. It is solved in the frequency domain and gives good undulation frequency and critical speed results. The numerical model uses strong interactions between a fluid code using the vortex method and a structure code based on corotationnal finite elements. This model is validated on an experimental case.

$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.

Dans cette thèse nous mettons en oeuvre une méthode vortex hybride pénalisée (HVP) afin desimuler des écoulements incompressibles autour de corps non profilés dans des milieux complexessolides-fluides-poreux. Avec cette approche particulaire hybride, le phénomène de convection estmodélisé à l’aide d’une méthode vortex afin de bénéficier du caractère peu diffusif et naturel desméthodes particulaires. Un remaillage des particules est alors réalisé systématiquement sur unegrille cartésienne sous-jacente afin d’éviter les phénomènes de distorsion. D’autre part, les effetsdiffusifs et d’étirement ainsi que le calcul de la vitesse sont traités sur la grille cartésienne, àl’aide de schémas eulériens. Le traitement des conditions de bords aux parois de l’obstacle esteffectué à l’aide d’une technique de pénalisation, particulièrement bien adaptée au traitementde milieux solides-fluides-poreux.Cette méthode HVP est appliquée au contrôle passif d’écoulement. Cette étude de contrôleest effectuée respectivement en 2D et en 3D autour d’un demi-cylindre et d’un hémisphère parl’ajout d’un revêtement poreux à la surface de l’obstacle. La présence de cette couche poreusemodifiant la nature des conditions aux interfaces, permet de régulariser l’écoulement global etde diminuer la traînée aérodynamique de l’obstacle contrôlé. A travers des études paramétriquessur la perméabilité, l’épaisseur et la position du revêtement poreux, ce travail vise à identifier desdispositifs de contrôles efficaces pour des écoulements autour d’obstacles comme des rétroviseursautomobiles. / In this work we use a hybrid vortex penalization method (HVP) to simulate incompressibleflows past bluff bodies in complex solid-fluid-porous media. In this hybrid particle approach,the advection phenomenon is modeled through a vortex method in order to benefit from thenatural description of the flow supplied by particle methods and their low numerical diffusionfeatures. A particle remeshing is performed systematically on an underlying Cartesian grid inorder to prevent distortion phenomena. On the other hand, the viscous and stretching effects aswell as the velocity calculation are discretized on the mesh through Eulerian schemes. Finally,the treatment of boundary conditions is handled with a penalization method that is well suitedfor the treatment of solid-fluid-porous media.The HVP method is applied to passive flow control. This flow control study is realized pasta 2D semi-circular cylinder and a 3D hemisphere by adding a porous layer on the surface of thebody. The presence of such porous layer modifies the characteristics of the conditions at theinterfaces and leads to a regularization of the wake and to a decrease of the aerodynamic dragof the controlled obstacle. Through parametric studies on the permeability, the thickness andthe position of the porous coating, this works aims to identify efficient control devices for flowsaround obstacles like the rear-view mirrors of a ground vehicle.

Dans cette thèse nous mettons en oeuvre une méthode vortex hybride pénalisée (HVP) afin desimuler des écoulements incompressibles autour de corps non profilés dans des milieux complexessolides-fluides-poreux. Avec cette approche particulaire hybride, le phénomène de convection estmodélisé à l’aide d’une méthode vortex afin de bénéficier du caractère peu diffusif et naturel desméthodes particulaires. Un remaillage des particules est alors réalisé systématiquement sur unegrille cartésienne sous-jacente afin d’éviter les phénomènes de distorsion. D’autre part, les effetsdiffusifs et d’étirement ainsi que le calcul de la vitesse sont traités sur la grille cartésienne, àl’aide de schémas eulériens. Le traitement des conditions de bords aux parois de l’obstacle esteffectué à l’aide d’une technique de pénalisation, particulièrement bien adaptée au traitementde milieux solides-fluides-poreux.Cette méthode HVP est appliquée au contrôle passif d’écoulement. Cette étude de contrôleest effectuée respectivement en 2D et en 3D autour d’un demi-cylindre et d’un hémisphère parl’ajout d’un revêtement poreux à la surface de l’obstacle. La présence de cette couche poreusemodifiant la nature des conditions aux interfaces, permet de régulariser l’écoulement global etde diminuer la traînée aérodynamique de l’obstacle contrôlé. A travers des études paramétriquessur la perméabilité, l’épaisseur et la position du revêtement poreux, ce travail vise à identifier desdispositifs de contrôles efficaces pour des écoulements autour d’obstacles comme des rétroviseursautomobiles. / In this work we use a hybrid vortex penalization method (HVP) to simulate incompressibleflows past bluff bodies in complex solid-fluid-porous media. In this hybrid particle approach,the advection phenomenon is modeled through a vortex method in order to benefit from thenatural description of the flow supplied by particle methods and their low numerical diffusionfeatures. A particle remeshing is performed systematically on an underlying Cartesian grid inorder to prevent distortion phenomena. On the other hand, the viscous and stretching effects aswell as the velocity calculation are discretized on the mesh through Eulerian schemes. Finally,the treatment of boundary conditions is handled with a penalization method that is well suitedfor the treatment of solid-fluid-porous media.The HVP method is applied to passive flow control. This flow control study is realized pasta 2D semi-circular cylinder and a 3D hemisphere by adding a porous layer on the surface of thebody. The presence of such porous layer modifies the characteristics of the conditions at theinterfaces and leads to a regularization of the wake and to a decrease of the aerodynamic dragof the controlled obstacle. Through parametric studies on the permeability, the thickness andthe position of the porous coating, this works aims to identify efficient control devices for flowsaround obstacles like the rear-view mirrors of a ground vehicle.

Ce 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 Boulolgne-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 inter-hydroliennes. 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.