Titre de l'écran-titre (visionné le 17 novembre 2020) / Les turbines à axe vertical longtemps gardées dans l'ombre des turbines à axe horizontal commencent depuis quelques années à prendre davantage de place sur le marché des énergies renouvelables. Ce nouvel engouement pour cette technologie est notamment dû aux récentes avancées quant à leur efficacité les rendant de plus en plus concurrentielles. Ce présent mémoire s'inscrit dans la recherche sur l'amélioration de cette technologie en considérant l'utilisation de pales flexibles agissant comme un système passif de variation d'angle d'attaque. Il sera question dans un premier temps d'une étude 2D employant une turbine à pales droites munie d'un bord de fuite flexible. Cette étude est réalisée dans un premier temps afin de sélectionner les meilleures caractéristiques pour une étude 3D qui est menée par la suite. Un modèle employant la mécanique des fluides numériques couplé à un modèle d'élément fini est employé et validé dans ce mémoire. Le logiciel OpenFOAM utilisant une librairie maison pour le couplage solide est utilisé en 2D. La résolution du domaine 3D est quant à elle réalisée en employant le logiciel StarCCM+ ainsi qu'un couplage fluide structure intégrée à même le logiciel. Également, la modélisation de la turbulence est réalisée en employant le modèle de turbulence RANS k-ω SST, dans sa forme instationnaire. Les résultats de la première étude 2D montrent une augmentation de l'efficacité pour des conditions d'opération en dessous et au-delà du point de meilleur rendement. Cependant, il est également démontré que l'utilisation de pales flexibles diminue l'efficacité de la turbine à son point de meilleur rendement. Enfin, l'impact des effets 3D sur le comportement dynamique des pales flexibles vient changer les observations réalisées en 2D au point de meilleur rendement. En effet, la modélisation tridimensionnelle du problème permet de mettre en lumière une augmentation globale de l'efficacité de la turbine en réduisant considérablement la traînée des pales en agissant directement sur la formation des tourbillons de bout de pale / Vertical-axis turbines, long kept in the shadow of horizontal-axis turbines, are starting to gain more importance in the renewable energy market nowadays. This new trend comes from recent advances in the efficiency, making them more competitive. This thesis takes part in the actual research by considering a flexible blade as a possible passive system to improve the efficiency of this technology. At first, a 2D study using a straight blade turbine with a flexible trailing edge is done in order to select the best characteristics for a 3D study which is carried out subsequently. A model employing computational fluid dynamic coupled to a finite element model is used and validated in this thesis. OpenFOAM software is used with an in-house library which allows fluid-solid couplings in 2D. The resolution of the 3D domain is conducted by using StarCCM+ software as well as a fluid-solid coupling integrated into the software. Also, the turbulence modeling is performed using the unsteady form of the RANS k-ω SST turbulence model. The result of the 2D study shows an increase in efficiency for the operating conditions below and above the optimal efficiency point compared with a turbine with rigid blade. It is also shown that the flexible blades decrease the efficiency of the turbine at the optimal efficiency point. However, the impact of 3D effects on the dynamic behaviour of flexible blades changes the observations made in 2D at the optimal efficiency point. Indeed, the threedimensional modeling of the problem makes it possible to highlight an overall increase in the efficiency of the turbine by considerably reducing the vortex drag of the blades by acting directly on the formation of the tip vortices.

Titre de l'écran-titre (visionné le 1er mai 2023) / Ce mémoire de maîtrise porte sur l'amélioration des performances des turbines à axe vertical. La solution proposée est d'équiper ces turbines de profils aérodynamiques déformables, qui sont capables de se déformer à différents angles d'azimut afin d'atteindre le maximum d'efficacité possible. Les deux tiers de la corde du profil aérodynamique des pales sont considérés comme déformables, tandis que l'autre tiers situé au bord d'attaque est considéré comme rigide. Le profil aérodynamique subit une déformation active, donc la déformation peut être appliquée tout au long du cycle de façon dynamique. Ainsi, dans un cycle complet, la pale peut avoir des formes différentes avec le bord de fuite qui pointe vers l'intérieur ou vers l'extérieur du cercle qui circonscrit la turbine avec des amplitudes différentes. Pour l'étude, le logiciel commercial StarCCM+ et les équations de Navier-Stokes moyennées (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes, URANS) sont utilisés en 2D afin de caractériser le comportement de la turbine pendant la rotation. Pour simuler le mouvement de déformation du profil aérodynamique, une technique de maillage superposé (overset mesh) est utilisée en conjonction avec une technique de krigeage (Radial Basis Function, RBF) pour déformer et déplacer le maillage en fonction de la déformation de la pale. Divers profils aérodynamiques, y compris des profils aérodynamiques non déformés, des profils aérodynamiques déformés statiquement et des profils aérodynamiques dynamiquement déformables, sont examinés et comparés en termes de leurs performances. Divers facteurs sont discutés tels que : le rapport de vitesse en bout de pale (tip-speed ratio), l'amplitude de déformation du profil aérodynamique et les périodes où les déformations sont appliquées. Les profils aérodynamiques déformables permettent d'augmenter l'efficacité de la turbine quel que soit le rapport de vitesse en bout de pale. Lorsque la turbine fonctionne à des rapports de vitesse non optimaux, les performances de la turbine sont améliorées de manière significative. Néanmoins, une augmentation de 3,55% est tout de même obtenue au rapport de vitesse optimal par rapport aux profils aérodynamiques non déformés. / This master's thesis focuses on improving the performance of vertical axis turbines. The proposed solution is to equip these turbines with deformable airfoils, which are capable of deforming at different azimuthal angles in order to achieve better efficiency. Two-thirds of the airfoil's chord is considered deformable, while one-third is considered undeformed at the leading edge. The airfoil undergoes active deformations such that the deformation can be applied and modified dynamically throughout the cycle. Thus, in one complete cycle, the airfoil may have different shapes with the trailing edge pointing inward or outward with different amplitudes. For the study, the commercial finite-volume software StarCCM+ is used and the 2D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) model is employed in order to characterize the turbine's behavior during rotation. An overset mesh technique is used in conjunction with radial basis function in order to deform and move the mesh with respect to the blade deformation. Various airfoils, including undeformed airfoils, morphed deformed airfoils, and dynamically deformable airfoils, are examined and compared with respect to their performance. Various factors such as the tip-speed ratio, airfoil amplitudes, and the periods where deformations are applied are discussed. Deformable airfoils can increase the efficiency of the turbine regardless of the tip speed ratio. When the turbine is operated at non-optimal tip speed ratios, the performance of the turbine is enhanced significantly. Nevertheless, an increase of 3.55% is still reported at the optimal tip speed ratio compared to undeformed airfoils.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente l'étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d’une roue de turbine de type bulbe. Pour ce faire, deux campagnes de mesures ont été réalisées. La première a fait usage de l’anémométrie laser à effet Doppler (LDV). La seconde campagne a fait appel à l’anémométrie par image de particules (PIV) et à un montage stéréoscopique endoscopique conçu sur mesure pour atteindre la région ciblée. Les données recueillies permettent de caractériser plusieurs phénomènes. L’importance du sillage des directrices entre les aubes de la roue est mise en évidence par les deux techniques de mesure. La campagne de mesure par LDV permet plus spécifiquement de cibler les tourbillons de jeu de bout d’aube et d’identifier des débalancements fixe et rotatif. En complément, les mesures par PIV révèlent la présence d’un tourbillon qui provient du bord d’attaque près du moyeu lorsque la turbine opère à charge partielle. / This work presents the experimental study of the flow in the inter-blade channel of the runner of a bulb turbine. To do so, two measurement campaigns were carried out. The first used laser Doppler velocimetry (LDV). The second campaign used particle image velocimetry (PIV) and a custom designed stereoscopic endoscopic setup allowed reaching this otherwise difficult to access measurement plane. A comparison of the two sets of data collected indicates a good match over the entire area on which they overlap. The gathered data allows characterising many phenomena. The importance of the guide vanes wake on the runner flow is highlighted by both measurement techniques. The LDV measurement campaign allows characterizing the blade tip vortices and identifying fixed and rotary flow imbalances. In addition, the PIV measurements reveal the presence of a vortex that originates from the leading edge near the hub when the turbine operates at partial load.

Ce travail de mémoire présente la modélisation numérique et l'analyse de l'écoulement dans un seul passage de la roue d'une turbine hydraulique axiale de type hélice à l'aide du logiciel ANS YS CFX 11.0. Une approche Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), basé sur le modèle Shear Stress Transport (SST), a été utilisée pour modéliser numériquement l'écoulement. Les simulations prennent en considération le jeu à l'extrémité des aubes. Souvent, le jeu est omis dans les simulations numériques dans les roues de turbines hydrauliques. Cependant, il donne lieu à l'écoulement de fuite interne et autres phénomènes turbulents, tel que le tourbillon de bout d'aube. La comparaison des simulations avec les mesures expérimentales réalisées dans la roue du modèle réduit de la turbine hélice démontrent que l'inclusion du jeu dans les simulations est essentielle pour mieux représenter les caractéristiques réelles de l'écoulement dans la roue de la turbine hélice et ainsi améliorer la prédiction de la performance de la roue d'une turbine hydraulique axiale.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués au sein du département de Génie Mécanique de l’Université Laval dans le cadre du projet « Impact modeling of Composite Aircraft Structure », IMCAS du Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale (CRIAQ). Le but de ces travaux était de créer une loi de comportement pour les composites tissés sec mous et de les implanter dans un élément coque reproduisant le comportement dynamique d’un croisement de fibres dans un pli typique sous impact balistique et en fonction de certains paramètres géométriques propres au tissé. La création d’une loi de comportement de l’usager dans le logiciel d’analyse par éléments finis Abaqus a été nécessaire pour mener à bien ce projet. La méthodologie de développement de la sous-routine de l’usager, qui définit le matériau tissé et est utilisée en conjonction avec l’élément shell S4R, est basée sur les récents travaux de Grujicic et al (1) et Shahkarami et al (2). La validation de ce modèle a été réalisée en vérifiant la validité de sa réponse à certaines sollicitations rencontrées dans des études simples d’impact. Le résultat final de ces tests numériques d’impact a permis de démontrer que nous obtenons des résultats similaires à ceux de Shahkarami pour les mêmes paramètres d’expérimentation. Enfin, après cette dernière validation, nous avons appliqué l’outil développé à l’étude, en dynamique explicite, de l’impact d’une pale de soufflante sur un caisson de confinement hybride. Ce caisson est composé d’une première couche intérieure en coque métallique et sur laquelle s’empilent plusieurs couches de kevlar. Tout au long de ce mémoire, nous avons détaillé toutes les hypothèses, les démarches et les outils utilisés pour réaliser ce travail. Nos résultats montrent finalement qu’il est possible de reproduire les phénomènes physiques à une échelle méso-mécanique lors d’un impact haute vitesse sur un matériau composite tissé multicouche tout en minimisant le temps de calcul nécessaire. / This thesis presents the work that has been carried out inside the Mechanical Engineering Department of Laval University within a CRIAQ project related to Impact Modeling of Composite Aircraft Structure (IMCAS). The main goal of this work was to develop a dry fabric model for ballistic impact application and to implement it into a shell element capable of reproducing the dynamic behavior of a yarn crossover point with due account of some specific geometric and material parameters. The development of a material user subroutine (VUMAT user subroutine) was necessary to carry out this project. The methodology employed for the development of the user subroutine to be used with the S4R shell element available in Abaqus is based upon the works of Grujicic et al (1) and Shahkarami et al (2). The validity of the mesomechanical model created was carried out in order to assess the accuracy of its behavior under elementary loadings. Subsequently, using the same parameters to set up the analysis, the developed model has been applied in simple impact problems in Abaqus to demonstrate that we are able to obtain the same results as in the work of Shahkarami (2) used as a reference. Finally, after this last validation, the model is used in the impact study of an aeronautical engine’s fan blade containment problem using a hybrid casing. In our problem the casing’s inner shell is metallic and multiple Kevlar fabric layers are wrapped around it to contribute to the energy absorption and containment of the fan blade debris released outward at high speed. In this thesis all the assumptions, process and tools necessary to carry out every analysis have been described in details. Our results demonstrate that it is possible to capture the physical phenomenon happening at the yarn’s mesoscopic level during a high-velocity impact on a dry fabric while minimizing the computation time.