Le projet HARVEST a pour objectif de développer un nouveau type de turbomachine, dite hydrolienne, composée de turbines à flux transverse. Les travaux menés lors de cette thèse concernent l'instrumentation de la veine d'essai d'un tunnel hydrodynamique : il s'agit de caractériser expérimentalement les performances hydrodynamiques de maquettes de telles turbines et de mesurer en particulier l'évolution angulaire des efforts hydrodynamiques sur les pales. Ces efforts sont mesurés par un dispositif à capteurs piézoélectriques associé à un dispositif de régulation et de transformation d'énergie par génératrice de courant synchrone. Le processus de conception ainsi que les étapes de mise au point et de caractérisation de ces sous-ensembles sont ensuite exposés. Enfin, une campagne d'essais permet d'apporter des conclusions d'ordre méthodologique et technologique sur les travaux présentés. / The HARVEST project's objective consists in developing a new type of turbo- machine, named hydrolien, made of inverse flux turbines. The research conducted in this dissertation deals with the implementation of the stream tube of a hydrodynamic tunnel; it consists in the experimental determination of hydrodynamic performances of models designed for the turbines and, more specifically, of measuring the angular evolution of hydrodynamic efforts on the blades. The efforts were measured through piezoelectric sensors device, along with a regulatory and transformational energy device, by way of synchronous power generator. The elaborations of the design, as well as the different steps of adjustments and characterization of the subsets, are then described. Finally, a series of experiments leads to methodological and technological conclusions concerning the entire project.

Les travaux développés durant cette thèse, ont permis la mise au point d'un simulateur qui permet de prévoir le comportement d'une hydrolienne dans son environnement. A cet effet, une approche multiphysique a été adoptée pour la modélisation de l'ensemble de la chaîne de conversion d'énergie. L'environnement de simulation ainsi développé peut également être utilisé pour le dimensionnement et l'évaluation de la rentabilité d'installations hydroliennes. A l'heure actuelle, l'outil développé permet de simuler tous les types de turbines à axe horizontal. De plus, il permet de choisir entre deux topologies électriques différentes ; une basée sur la génératrice asynchrone à double alimentation et une sur la génératrice synchrone à aimants permanents. Pour ces deux technologies, deux types de commande en vitesse ont été proposés. La première stratégie consacre l'utilisation des régulateurs linéaires PI. La deuxième, quant à elle, propose une commande non linéaire dite modes glissants d'ordre supérieur. Les différents composants du simulateur ont été testés et éprouvés expérimentalement en termes de modèles et en termes de performances de régulations de vitesse. Les développements présentés dans ce mémoire restent cependant perfectibles ouvrant ainsi la voie à d'intéressantes perspectives.

En dépit d’un développement opérationnel actuel seulement émergeant le long des côtes françaises, l’extraction de l’énergie cinétique des courants de marée par les hydroliennes apparaît, dès à présent, comme une solution prometteuse pour contribuer, localement, à la transition énergétique de territoires insulaires déconnectés du réseau électrique continental, ayant des besoins électriques limités, et situés dans des espaces naturels sensibles et/ou touristiques intégrant un patrimoine visuel à préserver. Ce travail de thèse se consacre à la modélisation numérique tridimensionnelle des impacts hydrodynamiques et sédimentaires d’hydroliennes d’axe horizontal déployées dans le site pilote d’implantation de fermes hydroliennes du Passage du Fromveur, au cœur du parc naturel marin d’Iroise, à la pointe Bretagne. Les simulations numériques se basent sur le modèle océanographique ROMS (« Regional Ocean Modelling System ») modifié pour intégrer un sous-modèle théorique de disque actuateur assimilant l’hydrolienne à un disque poreux opposant à l’écoulement une force équivalente à la poussée de la turbine. La méthode est validée avec des mesures effectuées en laboratoire dans le sillage d’un disque poreux de 10 cm de diamètre (D) immergé dans un courant permanent. Une résolution spatiale minimale égale à D/10 est nécessaire pour reproduire les observations. Après une étude de convergence numérique à échelle réelle, le modèle ROMS est appliqué, selon une approche gigogne de maillages imbriqués focalisée sur le Passage du Fromveur, pour examiner les interactions des sillages et les effets cumulés au sein d’un parc de huit turbines de 10 m de diamètre susceptible de satisfaire au besoin énergétique de l’île d’Ouessant. L’agencement des turbines suit les recommandations communément adoptées avec une disposition en quinconce et des espacements longitudinaux de 10D et latéraux de 5D. En condition de vive-eau moyenne, le désalignement du courant au pic de flot exacerbe les interactions entre sillages, réduisant la production énergétique du parc de près de 15 % par rapport à celle du pic de jusant. Ce déficit de production énergétique est limité à 2 % en ramenant l’espacement latéral des turbines à 3D. Les prédictions de ROMS sont enfin exploitées pour appréhender l’influence de cette dernière configuration de parc sur la dynamique sédimentaire locale. Les principaux effets attendus concernent (i) le dépôt de sédiments de plus de 2 mm de diamètre dans le sillage des dispositifs et (ii) la mise en mouvement de cailloutis de 5 cm de diamètre entre les sillages. / In spite of a present only emerging operational development along the coast of France, the extraction of the kinetic energy of tidal currents by turbines appears as a promising solution to contribute locally to the energetic transition of insulary territories that are not connected to the continental electricity grid, with limited power needs, and are located in protected and touristic natural areas with a visual heritage to preserve. This doctoral thesis was devoted to the three-dimensional numerical modelling of the hydrodynamic and sedimentary impacts induced by horizontal-axis turbines deployed within the pilot site of the Fromveur Strait, in the natural marine Iroise park, off western Brittany. Numerical simulations are performed with the oceanographic model ROMS (Regional Ocean Modelling System) modified to integrate a theoretical actuator-disk sub-model that assimilates the device to a porous disc opposing the flow with a force equal to the turbine’s thrust. This method was assessed against laboratory measurements within the wake of a porous disc with a diameter (D) of 0.1 m immersed in a permanent flow. A spatial resolution as small as D/10 was required to reproduce observations. After a numerical convergence study at full scale, ROMS was applied, using a nested grid approach targetted towards the Fromveur Strait, to examine wake interactions and cumulative effects within an array of height turbines of 10-m-diameter expected to fulfill the energy need of the island of Ushant. The array layout followed the commonly recommended staggered configuration with respective longitudinal and lateral spacings of 10D and 5D. During spring tidal conditions, the misalignment of the peak flood flow enhanced the wake interactions, reducing by about 15% the array power production in comparison with the peak ebb flow. This lack of power production capacity was lowered to 2% by reducing the lateral spacing to 3D. ROMS predictions were finally exploited to address the influence of this last array of turbines on the local sediment dynamics. Main effects were expected on (i) the deposition of sediments with diameter over 2 mm within the turbine wakes and (ii) the setting in motion of gravels with a diameter of 5 cm between the wakes.

Le projet HARVEST a pour objectif de développer un nouveau type de turbomachine, dite hydrolienne, composée de turbines à flux transverse. Les travaux menés lors de cette thèse concernent l'instrumentation de la veine d'essai d'un tunnel hydrodynamique : il s'agit de caractériser expérimentalement les performances hydrodynamiques de maquettes de telles turbines et de mesurer en particulier l'évolution angulaire des efforts hydrodynamiques sur les pales. Ces efforts sont mesurés par un dispositif à capteurs piézoélectriques associé à un dispositif de régulation et de transformation d'énergie par génératrice de courant synchrone. Le processus de conception ainsi que les étapes de mise au point et de caractérisation de ces sous-ensembles sont ensuite exposés. Enfin, une campagne d'essais permet d'apporter des conclusions d'ordre méthodologique et technologique sur les travaux présentés.

Les hydroliennes représentent une des ressources d'énergie renouvelable qui a encore besoin d'études exploratoires et d'une réelle finalité pratique. Les hydroliennes sont des turbines qui récupèrent l'énergie cinétique des courants fluviaux ou marins. Equivalentes quelque part aux éoliennes, elles seront plus compactes à puissance égale car l'eau est mille fois plus dense que l'air. L'étude présentée dans le cadre de cette thèse s'inscrit dans un programme de recherche multidisciplinaire et a pour objet le concept HARVEST basé sur une structure verticale nommée colonne qui est composée d'un empilement de turbines "Achard" solidaires sur un même axe de rotation. Cette thèse fait partie des travaux menés sur les aspects génération électrique et porte sur les possibilités de contrôle commande et de pilotage pour les hydroliennes en mode connecté au réseau de puissance infinie ou en mode ilôté.

Le but de cette thèse est l'optimisation du contrôle commande d'un système hydraulique réversible à vitesse variable. L'approche est d'abord traitée par simulation dynamique pour finir ensuite par validation expérimentale sur maquette physique temps réel hybride basée sur l'émulation (PHIL). La partie simulation concerne la modélisation des différents éléments de la microcentrale hydraulique tel que la turbine, la génératrice et l'interface d'électronique de puissance ainsi que le développement des lois de commande et la synthèse des différents régulateurs. Deux stratégie de contrôle ont été étudié, la première dite commande en vitesse associé à un algorithme MPPT adaptatif développé au cours de la thèse et la deuxième dite en puissance. Le management des contrôles commandes pour assurer la fonction de secours (backup) de la microcentrale hydraulique a été simulé et validé expérimentalement. Et enfin la transition rapide entre les deux modes de fonctionnement d'une petite station de transfert d'énergie par pompage a été proposé et validé par émulation sur la maquette physique.

Dans un contexte mondial où l’accès à l’énergie est un problème de premier plan, l’exploitation des courants de marée avec des hydroliennes revête un intérêt certain. Les écoulements dans les zones à fort potentiel énergétique propices à l’installation d’hydroliennes sont souvent fortement turbulents. Or la turbulence ambiante impacte fortement l’hydrodynamique avoisinante et le fonctionnement de la turbine. Une prédiction fine de la turbulence et du sillage est fondamentale pour l'optimisation d'une ferme d'hydroliennes. Un modèle de simulation de l'écoulement autour de la turbine doit donc être précis et tenir compte de la turbulence ambiante. Un outil basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est utilisé à ces fins, en association avec une approche de simulation des grandes échelles (LES). La LBM est une méthode instationnaire de modélisation d’écoulement fluide. Une méthode de génération de turbulence synthétique est implémentée afin de prendre en compte la turbulence ambiante des sites hydroliens. Les géométries complexes, potentiellement en mouvement, sont modélisées avec la méthode des frontières immergées (IBM). La mise en place d’un modèle de paroi est réalisée afin de réduire le cout en calcul du modèle. Ces outils sont ensuite utilisés pour modéliser en LBM-LES une hydrolienne dans un environnement turbulent. Les calculs, réalisés à deux taux de turbulence différents, sont comparés avec des résultats expérimentaux et des résultats NS-LES. Les modélisations LBM-LES sont ensuite utilisées pour analyser le sillage de l'hydrolienne. Il est notamment observé qu'un faible taux de turbulence impacte de manière significative la propagation des tourbillons de bout de pale. / In a global context where access to energy is a major problem, the exploitation of tidal currents with tidal turbines is of particular interest. Flows in areas with high energy potential suitable for the installation of tidal turbines are often highly turbulent. However, the ambient turbulence has a strong impact on the surrounding hydrodynamics and the turbine operation. A precise prediction of turbulence and wake is fundamental to the optimization of a tidal farm. A numerical model of the flow around the turbine must therefore be accurate and take into account the ambient turbulence. A tool based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) is used for this purpose, in combination with a Large Eddy Simulation (LES) approach. The LBM is an unsteady method for modelling fluid flows. A synthetic turbulence method is implemented to take into account the ambient turbulence of tidal sites. Complex geometries, potentially in motion, are modelled using the Immersed Boundary Method (IBM). The implementation of a wall model is carried out in order to reduce the cost of the simulations. These tools are then used to model a turbine in a turbulent environment. The calculations, performed at two different turbulence rates, are compared with experimental and NS-LES results. The LBM-LES models are then used to analyze the wake of the turbine. In particular, it is observed that a low turbulence rate has a significant impact on the propagation of tip-vortices.

Les courants marins sont aujourd’hui considérés comme une source d’énergie renouvelable prometteuse. De nombreux projets internationaux consistent à installer différents types de convertisseurs d’énergie des courants marins. La caractérisation des ressources marines est alors essentielle pour optimiser cette production d’énergie. En particulier, les zones à fort potentiel hydrolien sont sujettes à une turbulence multi-échelles, allant de petits tourbillons capables de solliciter les pales en fatigue aux gros tourbillons pouvant perturber la production de la turbine. Une meilleure connaissance de la génération de ces tourbillons et de leur propagation est essentielle. C’est l’objet du projet ANR/FEM THYMOTE (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) avec comme site d’étude le Raz Blanchard : l’un des sites les plus prometteurs d’Europe. L’une des questions posées concerne la capacité des grandes structures morphologiques du fond marin à produire des tourbillons. La méthode utilisée est l’emploi d’un modèle régional 3D pour couvrir la zone occupée par ces reliefs.Les modèles régionaux tels que TELEMAC-3D utilisent une fermeture turbulente de type URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes), avec par exemple le modèle $k-\varepsilon$. Cette approche ne permet pas une description fine des instationnarités de la turbulence. Cependant, grâce à l’augmentation des performances de calcul, la méthode Large Eddy Simulation (LES) devient envisageable. Celle-ci s’appuie sur un filtrage de l’écoulement, et consiste à simuler uniquement les plus grandes échelles de turbulence. Les plus petites, elles, sont modélisées. Le code TELEMAC-3D a été modifié durant cette thèse de manière à introduire cette fermeture turbulente. Le code développé permet de simuler des écoulements à surface libre en tenant compte d'une large gamme d'échelles allant de la turbulence à la propagation de la marée. Le code TELEMAC-LES a été validé sur la base de résultats expérimentaux issus de la littérature. Il est ensuite utilisé pour étudier les écoulements turbulents dans le Raz Blanchard grâce à une stratégie par emboîtement. La méthode LES permet alors une description fine de la turbulence de ces milieux, conduisant à l’identification de structures tourbillonnaires énergétiques, et donc la définition des zones les plus appropriées pour l’installation d'hydroliennes. / Nowadays tidal currents are considered a promising renewable energy source. Many worldwide projects involve the installation of different types of marine current energy converters. The characterisation of marine resources is therefore essential to increase efficiency of energy production. Areas with high hydroturbine potential are particularly subject to multi-scale turbulence, ranging from small vortices able to cause large fatigue loads, to large vortices capable of disrupting turbine production. A better knowledge of the generation of these eddies and their propagation is essential. This is the purpose of the ANR/FEM THYMOTE project (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) studying one of the most promising sites in Europe: the Alderney Race. One of the questions raised concerns the ability of large morphological structures on the seabed to produce eddies. The adopted method uses a 3D regional model to cover the area occupied by these bedforms.Regional models such as TELEMAC-3D use a turbulent URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) closure, with for example the $k-\varepsilon$. This approach does not allow a detailed description of the instability of turbulence. However, thanks to the increase in computing resources, the large scale method (LES) becomes feasible. This is based on flow filtering, and consists of simulating only the largest turbulence scales, whereas the smaller ones are modeled. The TELEMAC-3D code was modified during this thesis in order to introduce this turbulent closure. The code developed allows free surface flows to be simulated over a wide range of scales from turbulence to tidal propagation. The TELEMAC-LES code has been validated on the basis of experimental results from the literature. It is then used to study turbulent flows in the Alderney Race using a nesting strategy. The LES method allows a detailed description of the turbulence of these environments. It finally leads to the identification of energetic vortex structures, and thus the definition the most appropriate zones for the installation of tidal turbines.

La raréfaction des ressources fossiles non renouvelables et le dérèglement climatique font de la question énergétique un enjeu d’envergure mondiale. L’exploitation de nouvelles sources d’énergie renouvelable devient alors un objectif de première importance. L’énergie produite à partir des courants marins suscite depuis quelques années un intérêt particulier. Le concept de turbine sous-marine, appelée hydrolienne, désigne le dispositif permettant de convertir l’énergie cinétique des courants marins en énergie électrique. Ce travail de recherche traite les problématiques que pose la conception des hydroliennes à axe horizontal. Il sera mis en évidence que le monde des hélices marines présente une piste intéressante pour l’étude du comportement hydrodynamique des hydroliennes. Certains concepteurs d’hydroliennes avancent que l’ajout d’un système de carénage est favorable pour améliorer le rendement hydrodynamique. L’étude du gain hydrodynamique à encombrement constant que pourrait procurer l’ajout d’un carénage a donc été choisie comme point de départ de ce travail de recherche. Pour répondre au besoin des industriels lié à une problématique de gain de masse, les matériaux composites présentent un atout considérable en raison de leurs excellents rapports «masse/résistance» et «masse/rigidité». Une réalisation d’un carénage en matériaux composites présentant le meilleur ratio «puissance/masse» a été obtenue. Un carénage d’hydrolienne est de par sa position particulièrement confronté à des chocs. Ceci peut s’avérer très délicat car la structure composite en question est soumise à des sollicitations sévères liées à l’environnement marin. L’impact sur un carénage d’hydrolienne a été traité en détail dans ce travail de recherche. / Against the backdrop of the increasing scarcity of non-renewable fossil resources and climate change, the energy problem has become a worldwide issue. Hence, the exploitation of new renewable energy sources becomes a worldwide goal of primary importance. The concept of the underwater turbine, called tidal current turbine, designates the device which allows the conversion of the kinetic energy produced by marine currents in electric energy. This research study examines the problems related to the design of horizontal axis tidal current turbines. The present study shows that the world of marine propellers, sometimes entirely left out by the designers of tidal current turbines, presents an interesting avenue of research with regard to the hydrodynamic behaviour of tidal current turbines. Certain designers of tidal current turbines use a duct and hold that the addition of the duct contributes to the improvement of the hydrodynamic performance. Therefore, the study of the hydrodynamic benefits of ducted turbine using a constant overall cross-section than the bare turbine was the starting point of the present research work. In order to meet the needs of the manufacturers of tidal current turbines, which is generally linked to a problem of mass gain, composite materials present a considerable asset on account of their excellent «mass/resistance» and «mass/rigidity» relations. A structural design of ducted tidal current turbines using composite materials has therefore been examined. Hence, the design of a composite duct which yields the best «power/mass» ratio has been proposed. The duct of the tidal current turbine is especially confronted by the impacts due to its particular position. The impact damage aspect has also been examined in detail in the present research study.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des énergies renouvelables au sein du programme HARVEST du laboratoire LEGI, qui consiste à développer un concept d'hydrolienne de type Darrieus. L'hydrolienne peut être équipée d'un dispositif appelé carénage afin de transformer une portion plus grande de l'énergie cinétique contenue dans le courant d'eau en électricité. Les travaux présentés se sont focalisés sur ces systèmes de carénage, autour de trois axes : l'explication du principe de fonctionnement hydrodynamique du carénage, la quantification des performances de l'hydrolienne carénée et la mise en évidence des grandeurs géométriques clés du carénage permettant d'améliorer ou d'optimiser la performance du système. Toutes les études ont été réalisées à l'aide des calculs RANS 2D et des données expérimentales mises à disposition et, comparées aux résultats obtenus pour une hydrolienne non-carénée.