Cette thèse a pour objectif de détecter les structures turbulentes aux grandes échelles présentes dans une couche de mélange de type Rayleigh-Taylor incompressible à faible nombre d'Atwood. Diverses grandeurs statistiques conditionnées par la présence de ces structures ont été obtenues, et il est désormais possible de les comparer avec les résultats des modèles statistiques turbulents dits bi-structure, tel le modèle 2SFK développé au CEA. Afin de réaliser les simulations numériques directes du mélange turbulent, un code numérique tridimensionnel incompressible à densité variable a été développé. Ce code a été parallélisé dans les trois directions. Plusieurs méthodes de détection de structure ont été conçues et testées. Bien que toutes ces méthodes présentent différents intérêts, seule la plus efficace vis-à-vis de nos critères de détection a été gardée pour faire des simulations à forte résolution (plus d'un milliard de mailles, 1024^3). Un filtrage temporel de la vitesse verticale est utilisé dans cette méthode de détection afin de : 1) corriger les distorsions dues aux points d'arrêt et zones de recirculation dans l'écoulement, 2) minimiser l'effet de la turbulence aux petites échelles et mieux mettre en évidence les grandes échelles, 3) introduire un effet mémoire permettant de prolonger la bimodalité du champ de détection depuis les zones laminaires extérieures jusqu'au centre de la zone de mélange turbulent. Plusieurs simulations numériques directes 1024^3 ont été effectuées. Les résultats viennent conforter ceux obtenus avec le modèle bi-structure 2SFK et justifient une étude plus poussée des grandeurs statistiques en vue de sa validation. / This thesis aims at detecting large-scale turbulent structures in incompressible Rayleigh-Taylor mixing layers at low Atwood number. Various statistical quantities conditioned by structure presence have been obtained and it is now possible to compare them with results from two-structure statistical turbulent models such as the 2SFK model developed at CEA. In order to produce direct numerical simulations of the turbulent mixing, a three-dimensional, incompressible, variable-density numerical code was developed. This code is parallelized in the three directions. Several structure detection methods have been designed and tested. Although all these methods are of interest, only the most efficient with respect to our detection criteria has been retained for simulations at high resolution (over a billion cells, 1024^3). A time filtering of vertical velocity is used in this method to: 1) correct distortions due to stagnation points and recirculation zones in the flow, 2) minimize small-scale turbulence effects and better highlight large-scales, 3) introduce a memory effect in order to extend bimodality of the detection field from the external laminar zones up to the centre of the turbulent mixing zone. Several direct numerical simulations at 1024^3 have been achieved. Results support those obtained with two-structure 2SFK model and justify further studies for its validation.

Dans le contexte péri-urbain à dominance agricole de l’Ile de France, les pressions anthropiques exercées sur les rivières jouent autant sur la qualité que sur le débit des cours d'eau. Située au sud-ouest de Paris, l’Yvette draine un bassin versant de 202 km²et à la géologie homogène. Elle est alimentée directement par des stations d'épuration (STEP) et par la nappe des sables de Fontainebleau qui représente la principale source d’eau. Sur ce type de bassin, la gestion durable du système riverain repose sur la connaissance de la distribution des flux nappe – rivière et sur l’impact de cette répartition sur la qualité des cours d’eau.La dynamique des flux d’eau a été suivie grâce à l’implantation de stations hydrométriques aux points clés du réseau hydrographique (i.e. exutoires des principaux affluents, aval des confluences sur l’Yvette). Les flux chimiques ont été étudiés par analyses d’échantillons d’eau recueillis lors de campagnes de terrain effectuées en période d’étiage sur les cours d’eau. Un modèle conceptuel global, calibré à partir des chroniques de débit, a permis (i) d’estimer des variations spatiales de la recharge de la nappe (60 – 160 mm.an-1), et (ii) d’établir une répartition journalière des parts d’eau de nappe, de STEP et de ruissellement en rivière, pour la période 2001-2014. Par ailleurs, l’analyse des traceurs géochimiques (e.g. Cl-, NO3-, SO42-) et isotopiques (222Rn, δ18Oeau, δ2Heau) soutient la prédominance, aussi bien quantitative que qualitative, de la nappe sur les rivières.D’un point de vue hydrodynamique, le contexte géomorphologique homogène procure aux rivières une dynamique similaire avec des épisodes de crues très courts (de l’ordre de quelques heures) et des périodes d’étiages marqués, quelle que soit la saison. L’étude par sous-bassin a mis à jour une différence entre les bassins topographiques et les bassins d’écoulement souterrains, créant des déficits hydriques sur l’amont de certains cours d’eau (e.g. Mérantaise, Ru des Vaux) au profit d’autres (e.g. Rhodon). Le parallèle entre bassins topographique et souterrain n’a pu se faire qu’au niveau du cours principal de l’Yvette. Sur la période 2001-2014, le débit de l’Yvette provient en moyenne à 55 % de la nappe, à 38 % du ruissellement et à 8 % des STEP. En période de basses eaux, la contribution des STEP reste sensiblement identique tandis que la nappe constitue la principale alimentation des rivières (90 %), contrôlant donc leur qualité. Mais la composition chimique de ce soutien souterrain n’est pas homogène. Pour déterminer l’origine de ces disparités, un travail à plus petite échelle a été conduit sur un affluent majeur de l’Yvette (le Rhodon). La décharge de la nappe en rivière y est bimodale : 15 % arrive par voie souterraine et 85 % transite par les milieux humides en surface. Au sein des zones humides sont observées de fortes hétérogénéités dans les écoulements et leur chimie, avec des flux de subsurface totalement épurés en nitrates et du ruissellement riche en nutriments. La prédominance de des flux de surface réduit fortement le pouvoir épurateur des milieux humides, avec seulement 6 % des eaux de nappe épurées avant leur décharge en rivière. Cette faible efficacité renforce l’impact direct de la qualité de la nappe sur les rivières. Sur le bassin, la nappe est stratifiée par l’intervention de nombreux processus de recharge (infiltrations d’eau d’étang, de STEP, de zones humides de plateau). Les petits sous-bassins (< 50 km²) semblent dominés par cette stratification, ainsi que par les apports de STEP qui contribuent aux flux chimiques des rivières à hauteur de 30 à 50 %. Le cours principal de l’Yvette, dans sa partie aval, dépend des mélanges issus des confluences avec ses affluents. Les outils utilisés ici ont donc mis en avant les différences de fonctionnement des bassins selon l’échelle concernée, tout en reliant l’importance de la compréhension du système à petite échelle pour la gestion à grande échelle. / In the peri-urban context with large farm practices of the Paris region, anthropogenic pressures on streams and rivers impact both their flow and quality. Located in the southwestern of Paris, the Yvette stream drains a watershed of 202 km², in a homogeneous geological context. The stream is sustained by waste water treatment plant (WWTP) and by the Fontainebleau sands aquifer which represents the main source of water.In this context, the sustainable management of the stream and its riparian zones needs the assessment of groundwater discharge locations and chemistry, and their impact on the stream water quality.Water fluxes in the stream and in its main tributaries have been recorded at 11 stations. Dissolved elements distributions have been studied by field works in low-flows conditions. A lumped model, calibrated with stream flow hydrographs, has allowed (i) the estimation of groundwater recharge rates (60 – 160 mm.y-1) and (ii) the distribution of stream flow contributions between 2001 and 2014 (i.e. 55 % from groundwater, 38 % from runoff and 8 % from WWTP). Moreover, the use of geochemical and isotopic tracers (e.g. Cl-, NO3-, SO42-, 222Rn, δ18Owater, δ2Hwater) confirmed the large impact of groundwater on stream flow and quality.The hydrological dynamics of the Yvette stream and its tributaries are similar because of the homogeneity of the geomorphological context of the catchment. The flood events are really fast (on the order of hours) and low-flow conditions can be observed in every season. The discretization of the Yvette catchment in 11 sub-watersheds highlighted a divergence between the topographical and hydrogeological catchments. This generates a water deficit in some tributaries heads (e.g. Mérantaise, Ru des Vaux) in favor of some others (e.g. Rhodon). The matching limits of these catchments can only be made on the Yvette channel. During the 2001 – 2014 period, considering a fairly constant WWTP contribution, the groundwater discharge provides more than 90 % of the stream flow during low-flow conditions. This highlights a stream quality dominated by groundwater discharge. However, groundwater chemistry largely varies over the catchment. To study this phenomenon, a small-scale field work has been directed on the Rhodon stream, a main tributary of the Yvette River. At this scale, the groundwater discharge appeared to have two main pathways: 15 % come from the streambed while 85 % transit in wetlands before going to the stream. Within these wetlands, a large part of groundwater flows at the surface and has high levels of nutrients, whereas a small part (6 %) goes through sediments and is nutrients free. reduces The purifying power of these wetlands, significantly reduced by this distribution, is likely related to historical drainage and reinforces the direct connection between the stream and groundwater quality. On the Yvette catchment, the stratification of groundwater chemistry is due to several recharge processes (e.g. pond water infiltration, WWTP effluents infiltration, wetlands water infiltration). Small sub-watersheds (< 50 km²) seem to be dominated by (i) this stratification, and (ii) the WWTP discharges which can contribute from 30 % to 50 % to dissolved fluxes in the streams. The main channel of the Yvette stream primarily depends of the mixing of its tributaries waters. The methods developed here allowed highlighting (i) differences of catchment functioning according to the scale used, and (ii) the utmost importance of the small-scale assessment to understand/decipher and manage streams at larger scales.

La flottation industrielle est un procédé continu qui se déroule souvent en plusieurs étapes et dans lequel des particules d'une espèce de minéral donnée (généralement celles d'intérêt), présentes en différentes tailles, rencontrent une grande quantité de bulles de gaz (normalement de l'air) pour produire des agrégats bulles-particules minérales, qui sont extraits du dispositif de flottation (colonne ou cellule) en tant que produit de valeur (concentré). Le contenu en bulles est décrit par les conditions hydrodynamiques régnant dans le réacteur de flottation. Celles-ci sont reconnues pour leur influence sur la performance de la flottation. Ce projet de recherche porte sur deux sujets majeurs. Le premier est l'analyse de l’impact des particules solides sur les variables hydrodynamiques et l’effet de ces variables hydrodynamiques sur la récupération d’eau au concentré. Pour ce faire, l'effet du solide sur la distribution de la taille des bulles et le taux de rétention de l’air, ainsi que la corrélation entre la distribution de taille des bulles et le taux de rétention de l’air dans une colonne de flottation ont été étudiés. L'effet du taux de rétention de l’air, de la dimension des bulles et du taux surfacique de bulles (Sb) sur la quantité d’eau extraite au concentré a ensuite été analysé. Le second sujet traite de l'utilisation des variables hydrodynamiques pour la modélisation de la cinétique du procédé de flottation selon distribution granulométrique des particules introduites. La surface inter-faciale de bulle (Ib) est introduite à cet égard comme une variable hydrodynamique fournissant plus d'informations sur la distribution de taille de bulle que le taux surfacique de bulles qui est plus couramment utilisé. De plus, la corrélation entre la constante cinétique, la taille des particules et certaines variables hydrodynamiques a été analysée en utilisant une projection de structures latentes (PSL). Les résultats indiquent que l'importance relative des variables hydrodynamiques pour la modélisation de la cinétique de flottation dépend de la distribution granulométrique des particules. Finalement, les variables hydrodynamiques suggérées pour chaque classe granulométrique considérée ont été utilisées pour produire des modèles de régression mono-variable de la constante cinétique. / Industrial flotation is a continuous and often multistage process, where particles of a given mineral species (usually the targeted one), present in different sizes, encounter a large amount of gas bubbles (normally air) to produce mineral–bubble aggregates, which are removed from the flotation device (cell or column) as a valuable product (concentrate). The bubble content inside the cell is characterized by the prevailing hydrodynamic conditions (known as gas dispersion variables), which in turn are known to influence the flotation performance. This research project deals with two major topics. The first one is identifying the effect of mineral particles on hydrodynamic variables, and the effects of hydrodynamic variables on the final water recovery. For this purpose, the effect of solid particles on the bubble size distribution and gas hold-up, as well as the correlation between bubble size distribution and gas hold-up in column flotation were studied. It is followed by an assessment of the effect of the gas hold-up, bubble size and bubble surface area flux (Sb) on the amount of water reporting to the concentrate. The second topic deals with applying appropriate hydrodynamic variables for flotation modeling based on a given introduced particle size distribution. The interfacial area of bubbles (Ib) is introduced to address this issue as a hydrodynamic variable providing more information about the size distribution of bubbles than the commonly used bubble surface area flux. The correlation between the flotation rate constant and particle size as well as given hydrodynamic variables using a Projection to Latent Structures (PLS) has been analyzed. Results suggest that the relative importance of hydrodynamic variables for flotation rate modeling depends on the particle size distribution. Finally the suggested hydrodynamic variables for each of the various particle size-classes considered were used to produce single variable models for the flotation rate constant.

Ce mémoire présente l’étude d’un prototype novateur d’hydrolienne basé sur l’utilisation d’ailes oscillantes. L’Hydrolienne à Ailes Oscillantes (HAO) est en développement depuis une dizaine d’années à l’Université Laval et le potentiel de cette technologie a d’ailleurs été vérifié numériquement et expérimentalement. Il est maintenant nécessaire de développer des outils permettant de prédire le comportement de l’hydrolienne lorsqu’installée en rivière ou en courant de marée. Pour ce faire, la dynamique des fluides numérique (CFD) est utilisée afin d’étudier l’impact de différents paramètres sur les performances de l’hydrolienne. L’étude présentée dans ce mémoire décrit notamment l’influence de la modélisation de la turbulence, de la présence de la structure de l’hydrolienne et des effets de confinement. Dans un premier temps, une étude sur l’aile oscillante comparant deux niveaux de modélisation de la turbulence est présentée. Cette étude a permis de montrer que malgré la présence de structures turbulentes plus fines dans le sillage de l’aile avec le modèle Scale-Adaptive Simulation, les signaux de forces instantanées ainsi que les paramètres moyens de performance sont très similaires à ceux obtenus avec le modèle Spalart-Allmaras qui est de fait utilisé pour simuler l’hydrolienne HAO complète. Ensuite, l’hydrolienne HAO constituée d’une paire d’ailes oscillantes à l’intérieur de sa structure est simulée. La technique de maillage par grilles superposées est utilisée afin de simuler le mouvement relatif des différents corps. Cette représentation de l’hydrolienne a permis d’étudier l’impact de la structure de celle-ci sur ses performances et ainsi d’optimiser sa forme afin de maximiser l’extraction d’énergie. En plus d’améliorer les performances, le carénage optimisé permet d’atténuer la sensibilité de l’hydrolienne à un écoulement amont désaligné. Le troisième principal aspect étudié est l’impact du confinement sur les performances de l’aile oscillante. En effet, les parois d’un canal d’essais, la topologie des fonds marins ainsi que la proximité de la surface de l’eau sont susceptibles d’avoir un impact sur les performances hydrodynamiques d’une hydrolienne. Les simulations réalisées sur une aile oscillante à différents niveaux de confinement ont montré que la puissance extraite augmente avec le niveau de blocage, mais en plus, que cette relation est linéaire pour un confinement inférieur à 40%. Finalement, une technique est suggérée afin de corréler les performances de l’aile oscillante dans différents environnements confinés. / This master’s thesis focuses on a novel prototype of hydrokinetic turbine based on oscillating foils. This concept known as HAO, which stands for “Hydrolienne à Ailes Oscillantes”, has been under development for about 10 years at Laval University and its potential in power extraction has been confirmed through numerical and experimental studies. Efforts are now focused on developing tools to predict the turbines behavior prior to its deployment in rivers or tidal streams. To achieve this goal, computational fluid dynamics (CFD) is used to investigate the impact of different parameters on the power-extraction performance of the HAO turbine. This study describes, among other things, the influence of the turbulence modeling, the presence of the frame structure and the blockage effects. First of all, a methodological study performed on a single oscillating foil is presented which compares two different turbulence modeling approaches. This work has shown that even if the Scale-Adaptive Simulation model presents finer structures in the wake of the foil, instantaneous forces and mean performance parameters closely match the results obtained with the Spalart-Allmaras model which is thus used to simulate the complete HAO hydrokinetic turbine prototype. In a second study, the HAO hydrokinetic turbine is simulated considering two hydrofoils oscillating within the frame structure. The overset mesh technique is used to represent the relative motions of the different bodies. This methodology allows to study the impact of the frame structure on the turbine performance and to optimize its shape in order to increase the power extracted. In addition to the enhanced performances, the optimized frame shape provides an improved robustness to misaligned upstream flows. The third principal aspect addressed in this thesis is the impact of flow confinement on the performance of oscillating-foils. In fact, towing tank walls, sea and river bed topology and free surface proximity are likely to have an impact on the turbine hydrodynamic performance. Simulations of a single oscillating foil for different blockage levels have shown that the power extracted increases with the blockage ratio, but more precisely that this relation is linear for confinement of less than 40%. Finally, a technique is suggested to correlate the performance of the oscillating-foils turbines in different confined environments.

Parmi les réacteurs triphasiques gaz-liquide-solide utilisés dans la pratique industrielle, les réacteurs catalytiques à lit fixe arrosé à cocourant de gaz et de liquide vers le bas, i.e., trickle bed reactors (TBR), sont très répandus en particulier dans divers processus de transformation à hautes température et pression. Les travaux expérimentaux se poursuivent depuis plus de quatre décennies sur la quantification des paramètres hydrodynamiques (transition des régimes d'écoulement, perte de pression biphasique, rétention liquide, efficacité de mouillage, etc.) pour cette configuration de réacteurs. Différentes approches ont été mises en œuvre par un grand nombre d’équipes de recherche pour mesurer ces paramètres hydrodynamiques dans le but de construire des outils de prédiction et de description par rapport aux conditions réelles d’opération des processus à l’échelle industrielle. La présente contribution se propose de répondre à la question suivante : Dans quelle mesure les connaissances accumulées à partir d’observations à l’échelle laboratoire dans les conditions ambiantes sont-elles fiables pour opérer un TBR à pression et température élevées? Une question sous-jacente à la précédente concerne le comportement hydrodynamique avec la température lorsque le réacteur est alimenté par un liquide non-newtonien. L'intensification des procédés est une approche en vogue et prometteuse pour continuer à apporter des perfectionnements (gains en économie et en efficacité) au réacteur TBR. Aussi, l’induction artificielle d’impulsions est-elle envisagée dans cette étude en tant que méthode d'intensification de processus pour des températures et pressions non-ambiantes. Le présent travail tentera de démontrer les avantages de plusieurs variantes de l'opération périodique sur l'hydrodynamique des TBR pour des systèmes coalescent, non-newtonien et moussant à des températures et pressions augmentées. / Trickle bed reactor (TBR) is one of the most widely used three-phase reactors in various processes mostly operated at high temperature and high pressure. The ongoing experimental work on the hydrodynamic parameters (flow regime transition, pressure drop, liquid holdup, wetting efficiency etc.) of this packed bed reactor configuration goes to early 1960’s. Different techniques were applied by different researchers for the measurement of these hydrodynamic parameters which let the comparison and the decision of more convenient method by means of doing investigations at conditions near to that of industrial processes. Process intensification is considered to be a leading approach for the ongoing research on the economic reduction and reactor efficiency enhancement. Artificial induction of pulses is pronounced as one of the methods for the process intensification in TBRs. As trickle bed reactor is also used in biochemical processes, and the initial liquid behaving like a Newtonian fluid could turn into a non-Newtonian fluid after various biochemical processes; it is emphatic to study TBR hydrodynamics with non-Newtonian systems. Despite large amount of work exists in the literature for steady state hydrodynamics of TBR operating at high pressure; the hydrodynamic behavior of TBR at high temperature has been left as a concealed issue. Additionally none of the experimental work performed to demonstrate the advantages of periodic operation on TBR hydrodynamics dealt with the effects of increased temperature and pressure. This study illustrates the hydrodynamics of TBR at increased temperature and pressure under constant throughput flow and cyclic operation.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 avril 2024) / Les hydroliennes à pale oscillante (HPO) complètement passives ont été optimisées avec les années pour atteindre des efficacités allant jusqu'à 51%. Ces hautes efficacités ont été démontrées sous l'hypothèse que l'écoulement est bidimensionnel et que la taille du canal n'affecte pas les performances de la turbine. Cependant, il en ressort un besoin de démontrer la robustesse de la turbine dans différents environnements d'écoulement. En effet, l'hydrolienne réelle est d'envergure finie, donc les extrémités de la pale engendrent des tourbillons de bout qui réduisent la portance en comparaison avec une turbine 2D. Aussi, l'aire de section de n'importe quel canal a une taille finie, donc la profondeur et la largeur de l'écoulement auront elles aussi un impact sur l'hydrolienne. Ce mémoire vise à démontrer la robustesse de la turbine à des changements géométriques de la forme du canal. Cette démonstration doit être perçue comme un commencement, et non une finalité, puisque de nombreux autres effets ne sont pas abordés ici. Cette robustesse est d'abord démontrée en évaluant qualitativement et quantitativement l'impact de la profondeur d'un canal 2D sur une HPO complètement passive qui fut optimisée par d'anciens étudiants au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. Il est observé que sans modification des paramètres structuraux qui influencent les mouvements non-contraints de la pale, la turbine devient chaotique et inopérable après une faible diminution de la profondeur du canal. Pour retrouver des niveaux de performance intéressants pour des canaux encore moins profonds, une méthode simple est proposée, basée sur un ajustement adéquat du générateur électrique. Grâce à cet ajustement, l'efficacité de la turbine augmente jusqu'à 70% pour des canaux hautement restreints. Enfin, la robustesse de la turbine est démontrée pour un canal 3D où la largeur du canal est variée. Encore ici, l'efficacité de la turbine augmente avec la diminution de l'aire de section du canal, à la différence que la force du générateur ne nécessite pas de modifications. Cette démonstration fut réalisée avec le souci de reproduire la turbine et les conditions d'écoulement correspondant à une étude expérimentale réalisée à la University of Victoria en parallèle à ce mémoire afin d'également montrer que la présente méthodologie numérique se compare bien aux résultats expérimentaux. L'importance de cette démonstration n'est pas à sous-estimer puisque dans le contexte des HPO complètement passives, aucune étude n'a encore validé les simulations sous des conditions d'opérations comparables, c'est-à-dire en incluant la tridimensionnalité de la turbine. / With the passing years, the fully-passive oscillating-foil turbines (OFT) have been optimised up to 51% of efficiency. These incredible efficiencies were made possible under the constrains that the flow is bidimensional and that the size of the channel does not affect the performances of the turbine. There is however a need to demonstrate the resilience of the turbine in different flow conditions. Indeed, the turbine is made up of a three-dimensional blade, so the presence of wing-tip vortices reduce the lift produced in comparison to 2D foils. Also, the cross-sectional area of any channel is finite, so the width and depth of the flow will also impact the turbine. The goal of this master thesis is to demonstrate the resilience of the turbine to geometric changes of the channel. This resilience demonstration must be seen as a start and not a finality since numerous other effects are not discussed here. This resilience is first demonstrated by qualitatively and quantitatively evaluating the channel's depth impact on a 2D fully-passive OFT that has been optimized by previous graduate students from the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. It has been observed that without modifications of the structural parameters influencing the unconstrained blade, the turbine becomes chaotic and uninteresting after a small decrease of the channel's depth. To retrieve good performances for shallow channels, a simple method is proposed, based on the adjustment of the electric generator. Thanks to this adjustment, the efficiency of the turbine increases up to 70% for highly confined channels. Finally, the resilience of the turbine is demonstrated again in a 3D channel where where the width is varied. Again, the efficiency of the turbine increases with a reduction of the cross-sectional area of the channel. Again, the efficiency of the turbine increased with a decrease of the cross-sectional area of the channel. The difference with the previous 2D study is that the force applied by the generator did not need any modifications. This demonstration has been planned to reproduce at the same time the turbine and the flow conditions used in a experimental study. The goal is to show that the current numerical methodology used compares itself well experimental results. The importance of this demonstration must not be underestimated since in the context of fully-passive OFTs, no study has adapted to compare both approaches in comparable operating conditions, meaning to include the 3D aspect of the turbine.

La modélisation numérique des estuaires hypertidaux intéresse particulièrement les ingénieurs impliqués dans la navigation maritime et le développement de projets d'énergie marémotrice. Au Québec (Canada), la majorité de ces estuaires à marée extrême sont situés dans des régions isolée de l'Arctique canadien et sont souvent des lieux de résidence des communautés autochtones du Nord canadien. La présente thèse vise à mieux comprendre les processus se manifestent dans ces environnements, avec une emphase particulière sur l'importance (1) de la forte dominance des marées, (2) de l'extrême variabilité bathymétrique et (3) de l'immense forçage climatique. La thèse tente de démontrer comment les modèles numériques peuvent être utilisés pour traiter ces particularités et peuvent être la meilleure méthode disponible pour étudier leurs effets dans des environnements éloignés peu étudies. Premièrement, dans le but d'évaluer le potentiel de courant de marée en eau libre (sans glace) de l'estuaire hypertidal de la rivière Koksoak (KRE), nous avons modélisé le débit de marée en utilisant un model numérique hydrodynamique réputé (Delft3D). Différents aspects de l'hydrodynamique côtière ont été étudiés grâce à la modélisation numérique 1D2D-3D. La variabilité spatio-temporelle de la densité de puissance hydrocinétique disponible a ensuite été quantifiée. Les résultats ont révélé l'énorme potentiel (1000 MW) d'énergie marémotrice présente à plusieurs endroits le long de l'estuaire, ce qui nécessite des études numériques plus approfondies. En mettant davantage l'accent sur la modélisation numérique du site, par exemple la publication d'un Atlas des courants de marée pour aider à la navigation maritime dans le KRE, nous avons constaté que certains problèmes de modélisation des estuaires n'étaient pas abordés. Compte tenu des conditions limites précises et des mesures in situ recueillies au cours de l'hiver 2017-2018, nous avons constaté que les meilleurs résultats pour l'étalonnage du modèle (niveau d'eau) en utilisant les paramètres/options disponibles conduisaient encore à certains ordres d'imprécision. sur les conditions aux limites de formse qualité (campagnes 2017-2018) qui ont effectivement amélioré les résultats numériques, nous avons constaté que les meilleurs résultats pour l'étalonnage du modèle (niveau d'eau) en utilisant les paramètres/options disponibles étaient encore associés à certains ordres d'imprécision. Par conséquent, l'objectif du deuxième travail était d'améliorer l'efficacité de la modélisation hydrodynamique pour les environnements de marée peu profonde. Nous avons introduit quelques hypothèses décrivant pourquoi les modèles de turbulence et de rugosité disponibles ne sont pas bien adaptés à la modélisation des estuaires avec de fortes variabilités spatiales et temporelles des profondeurs de marée. En conséquence (i) un modèle de turbulence k-ε étendu pour la paramétrisation adaptative de la viscosité turbulente en fonction de la profondeur, et une approche basée sur la direction de l'écoulement pour la paramétrisation de la rugosité du lit ont été développés, incorporés dans le modèle hydrodynamique employé (Delft3D). Le modèle modifié a montré une amélioration constante des prévisions du modèle dans les stations de champ proche et de champ lointain, par rapport aux schémas de paramétrage classiques. Enfin, un aspect manquant et mal compris des estuaires de latitude nordique est l'immense impact de l'hiver sur le flux des marées. Situé à la latitude 58°, le KRE subit l'effet intensif du climat arctique pendant la majeure partie de l'année, ce qui entraîne la formation de glace estuarienne rapide sur une grande partie de sa longueur. Plus précisément, et ce qui est le plus pertinent pour cette recherche, il est important de savoir comment le long hiver affecte les potentiels hydrocinétiques des estuaires des régions froides. Ainsi, la surfusion entraîne la formation de frasil et de glace de fond qui peuvent adhérer aux pales des turbines et provoquer leur dysfonctionnement. Dans les estuaires, la surfusion a une nature transitoire complexe car le point de congélation de l'eau salée est une fonction de la salinité et de la profondeur qui est changée par les marées au cours des cycles de marée. En raison du manque de données de terrain en hiver, nous avons collecté des paramètres hydrodynamiques en utilisant de nouvelles campagne de mesures en hiver 2018. Les observations ont montré que le risque de surfusion diminue à l'intérieur de l'estuaire, car en l'absence de débit fluvial, la salinité peut s'infiltrer beaucoup plus loin dans le fleuve. À l'intérieur, une modulation apparente de ∆T (la différence entre la température de l'eau et la température de congélation de l'eau), dépendant de la marée, a été observée avec une augmentation de la température pendant des marées montantes. Cette augmentation retarderait la surfusion, ce qui est un avantage majeur pour turbines. En réglant le module Delft3D-Ice, différents scénarios ont été définis pour l'étendue et l'épaisseur de la couvert de glace, et leurs réponses hydrodynamiques ont été analysées. Il a été démontré que la glace a des impacts complexes et non uniformes sur les caractéristiques hydrodynamiques de la KRE. Surtout, le débit des prismes de marée, qui est la principale source d'élan, peut être modifiée de manière démonstrative par la couverture de glace et la glace de marée plate. Les résultats suggèrent que les zones énergétiques sont légèrement affectées par la glace pendant la plus grande partie de l'hiver. Pendant l'hiver de pointe seulement, la glace pourrait considérablement diminuer densité moyenne de puissance des courants (par exemple, la puissance moyenne est égale ou supérieure à 7 kW m-2). Ces implications cryohydrodynamiques indiquent que l'hiver arctique n'est pas un obstacle à la production d'électricité dans le fleuve Koksoak, et l'énergie marémotrice serait un avantage annuel pour Kuujjuaq

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Un nouveau concept d’hydrolienne basée sur des ailes oscillantes est étudié. La présente étude a pour but d’étudier l’hydrodynamique instationnaire d’une aile oscillante, d’optimiser son mouvement afin de maximiser l’extraction de puissance et de démontrer le potentiel d’une turbine à ailes oscillantes par une campagne expérimentale sur un prototype. L’analyse et l’optimisation de la turbine à ailes oscillantes ont été effectuées par simulations numériques à bas nombre de Reynolds (laminaire) ainsi qu’à haut nombre de Reynolds (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes; URANS). Une stratégie numérique 2D et 3D impliquant l’utilisation d’interfaces de glissement a été développée spécifiquement pour cette application de corps oscillants avec de grandes amplitudes de mouvement. À l’aide de cette stratégie numérique, une étude paramétrique fut effectuée et permit l’identification des paramètres dominants en ce qui a trait à la performance hydrodynamique de la turbine à ailes oscillantes. Basé sur un grand nombre de simulations, les zones optimales de production de puissance ont été identifiées dans les espaces paramétriques pertinents. De plus, des configurations spatiales optimales ont été identifiées pour le cas de turbines à ailes oscillantes en tandem. Le potentiel de l’hydrolienne à ailes oscillantes a été formellement établi dans ce travail grâce à une campagne expérimentale sur un prototype à ailes en tandem de 2 kW. La performance de ce dernier s’avéra compétitive avec celle des hydroliennes de type rotors à axe horizontal que l’on retrouve dans la majorité des designs d’hydrolienne proposés. Les données de la campagne expérimentale ont également permis de valider les résultats des simulations numériques par leur accord avec les simulations 3D. / A new concept of hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils is investigated. The objective of this study is to analyze the unsteady hydrodynamics of oscillating foils, to optimize their motions for maximum power extraction and to demonstrate in practice the potential of such a concept of turbine through experiments on a prototype. The analysis and optimization have been conducted via low Reynolds number, laminar numerical simulations as well as high Reynolds number, Unsteady Reynolds- Averaged Navier-Stokes (URANS) computations. A 2D and 3D numerical methodology relying on the use of sliding interfaces and suitable to the case of foils undergoing oscillations of large amplitudes is presented. Using that numerical strategy, a parametric study is conducted and leads to the identification of the dominant parameters impacting the hydrodynamic performance of the oscillating-foil turbine. Based on a large number of simulations, the performance of the oscillating-foil turbine has been mapped in relevant parametric spaces. In addition, optimal spatial configurations of turbines with tandem foils is also provided. The potential of the oscillating-foils hydrokinetic turbine has also been formally established in this work through field tests on a 2kW tandem-foils prototype. Its performance has been found to be competitive with the best competing technologies based on horizontal-axis rotor-blades. The experimental data have also been used here to validate the numerical models and have been found to strongly support the 3D numerical simulations.

Due à la complexité des mécanismes typiquement requis pour contraindre l’aile d’une turbine à aile oscillante à suivre des mouvements spécifiques, cette thèse étudie la possibilité de bénéficier de mouvements non contraints, dits passifs. En pratique, cela implique que l’aile est attachée à la structure de la turbine à l’aide de supports élastiques indépendants en pilonnement et en tangage, formés de ressorts et d’amortisseurs. Par conséquent, seul un contrôle indirect des mouvements est possible en ajustant adéquatement les paramètres structuraux affectant la dynamique de l’aile, tels que les paramètres d’inertie, d’amortissement et de raideur de l’aile et de ses supports élastiques. En premier lieu, un prototype ayant des mouvements passifs autant en pilonnement qu’en tangage, et donc étant complètement passif, a été conçu et testé dans un canal à surface libre. Cette première phase du présent travail de recherche a confirmé la faisabilité et le potentiel de ce concept en permettant d’extraire une quantité significative d’énergie de l’écoulement d’eau. Cependant, l’efficacité maximale atteinte est demeurée inférieure à ce qui peut être obtenu en contraignant l’aile à suivre des mouvements précis. Suite à ces expériences, un algorithme résolvant la dynamique du solide a été implémenté et couplé au logiciel résolvant la dynamique du fluide gouverné par les équations de Navier-Stokes. Des simulations numériques ont été réalisées afin d’analyser plus en détail la dynamique de chacun des deux degrés de liberté de l’aile. Plutôt que de poursuivre notre étude du concept complètement passif immédiatement, un concept de turbine semi-passive caractérisée par un mouvement de tangage passif et un mouvement de pilonnement contraint a été considéré. Des efficacités de l’ordre de 45% ont été atteintes, se comparant ainsi aux meilleures performances rapportées dans la littérature concernant les turbines à ailes oscillantes complètement contraintes. En plus de révéler le fort potentiel de ce concept de turbine semi-passive, cette étude nous a permis de nous concentrer sur certains aspects spécifiques concernant la dynamique d’une aile attachée par des ressorts en tangage. Cette analyse plus détaillée de la physique en jeu a été facilitée par le nombre réduit de paramètres structuraux en jeu par rapport à une turbine pour laquelle le mouvement de pilonnement est lui aussi passif. L’une des découvertes importantes est que le centre de masse doit être situé en aval du point de pivot afin de générer un transfert d’énergie du mouvement de pilonnement vers le mouvement de tangage par l’entremise du couplage inertiel entre les deux degrés de liberté. Ce transfert d’énergie est crucial puisque les mouvements de tangage optimaux nécessitent de l’énergie en moyenne pour être soutenus. De plus, un paramètre combinant les effets liés au moment d’inertie de l’aile par rapport à son point de pivot et à la raideur en tangage a été proposé. Ce paramètre permet de bien caractériser la dynamique du mouvement de tangage passif de la turbine semi-passive. Il permet aussi de déterminer la raideur requise pour différentes valeurs du moment d’inertie afin de maintenir une performance optimale de la turbine. Utilisant les connaissances acquises concernant la dynamique des mouvements de tangage passifs, le concept de turbine à aile oscillante complètement passive a été revisité. Les meilleures efficacités obtenues avec la turbine semi-passive ont été égalées et ont même été surpassées puisque qu’une efficacité de 53.8% a été atteinte. Les résultats ont aussi démontré qu’une performance optimale pouvait être maintenue sur de larges plages de valeurs en ce qui concerne la masse en pilonnement ainsi que le moment d’inertie par rapport au point de pivot, pourvu que les raideurs en pilonnement et en tangage soient ajustées correctement. / Due to the complexity of the mechanisms typically required when designing a flapping-foil turbine to prescribe specific heave and pitch motions, this thesis investigates the possibility of benefiting from unconstrained motions. In practice, this means that the foil is attached to the turbine structure with independent elastic supports in heave and in pitch, which consist in springs and dampers. Consequently, only an indirect control over the foil motions is possible through an adequate adjustment of the structural parameters affecting the foil dynamics, namely the inertial, damping and stiffness characteristics of the elastically-supported foil. Such motions are referred to as passive motions. As a first step, a turbine prototype with passive heave and pitch motions, thus being fully-passive, has been designed and tested in a water channel. This first phase of the present research work has confirmed the feasibility and the potential of this concept to extract a significant amount of energy from a fluid flow. However, the maximum efficiency that has been obtained is smaller than what can be achieved when prescribing specific foil motions. Following these experiments, a solid solver has been implemented and coupled with a Navier-Stokes fluid solver. Numerical simulations have been carried out to analyze the dynamics of both degrees of freedom in more details. Instead of immediately pursuing our study of the fully-passive flappingfoil turbine, a semi-passive concept, with a passive pitch motion and a prescribed heave motion, has been considered. Efficiencies of the order of 45% have been achieved, hence competing with the best performance reported in the literature for flapping-foil turbines with prescribed motions. In addition to revealing the great potential of this semi-passive turbine concept, this study has allowed us to focus on some specific aspects of the dynamics of passive pitch motions. This more detailed analysis of the physics at play has been facilitated by the reduced number of structural parameters affecting the foil dynamics compared to a turbine for which the foil is also elastically-supported in heave. One of the main findings is that the center of mass must be positioned downstream of the pitch axis in order to generate a net transfer of energy from the heave motion to the pitch motion via the inertial coupling between the two degrees of freedom. This energy transfer is crucial because optimal pitch motions require energy on average to be sustained. Moreover, a parameter combining the effects of the moment of inertia of the foil about the pitch axis and the pitch stiffness has been proposed. This parameter effectively characterizes the pitch dynamics of the semi-passive turbine. It also allows properly scaling the pitch stiffness when different moments of inertia are considered with the objective of maintaining an optimal turbine performance. Having improved our knowledge about the dynamics of passive pitch motions, the fully-passive flapping-foil turbine concept has been revisited. The best efficiencies obtained with the semi-passive concept have been matched, and even exceeded since an efficiency of 53.8% has been reached. The results have also demonstrated that an optimal performance can be maintained over large ranges of values regarding the heaving mass and the moment of inertia when the heave and pitch stiffness coefficients are adjusted adequately.

Ce mémoire s'inscrit dans le cadre plus général d 'un projet multidisciplinaire mené à l'Université Laval sur la technologie des aéro/hydrogénérateurs à ailes oscillantes. Cette partie du projet s'intéresse plus particulièrement à une mesure expérimentale des forces s'exerçant sur une aile oscillante. Pour y arriver, cette étude se découpe en deux phases bien distinctes. Tout d 'abord, il s'est révélé primordial de caractériser et d 'optimiser au mieux l'environnement de travail. Au cours de cette première phase, la mise en place de pertes de charge accompagnée par des mesures de vitesse dans le canal furent effectuées. De même, le système mécanique devait être piloté afin de reproduire le plus fidèlement possible les mouvements demandés. Par la suite, la deuxième phase impliquait la création puis l'utilisation d 'un instrument de mesure. Une comparaison avec des résultats issus de simulation numérique a alors permis de valider le concept de la balance hydrodynamique. Toutefois, plusieurs problèmes furent identifiés et des recommandations faites en vue de travaux futurs.