Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions - deux composantes (2D-2C) et deux dimensions - trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine.

Les matériaux composites sont utilisés dans de nombreuses structures marines et de nouvelles applications sont en cours de développement telles que les pales d’hydroliennes. La fiabilité de ces composants dans un environnement très sévère est cruciale pour la rentabilité de ces systèmes récupérateurs d’énergie des courants marins. Ces structures sont sujettes à de nombreuses forces, telles que les courants marins, les vagues, tempêtes mais également diverses agressions marines telles que l’eau de mer et la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement au long terme de ces parties mobiles est donc essentielle. La majorité des développeurs d’hydroliennes ont préféré des pales en carbone. Ainsi il est nécessaire de comprendre comment une longue immersion dans l’océan affecte ces composites. Dans cette étude, le comportement au long terme de différents composites carbone/époxy a été étudié en utilisant des essais de vieillissement accéléré. Une diminution significative des résistances des composites a été observée après saturation en eau de mer. Pour des temps d’immersion plus longs, seulement peu de changements des propriétés apparaissent. Peu d’effets significatifs ont été observés tant sur les modules que sur la ténacité. Ces changements de propriétés sont initialement dus à la plastification de la matrice, suivis par un affaiblissement de l’interface fibre/matrice. L’endommagement peut affecter le comportement au long terme des structures composites et créer de nouveaux chemins préférentiels pour la diffusion de l’eau. En conséquence un modèle basé sur un critère couplé résistance/ténacité a été proposé pour décrire le seuil d’endommagement et basé sur un critère en ténacité pour décrire la cinétique d’endommagement. Il permet de reproduire d’une manière correcte le seuil et la cinétique d’endommagement pour des matériaux vieillis et non vieillis. L’évolution de l’entrée d’eau dans les composites a été suivie dans le but de développer un modèle de diffusion prenant en compte le nature anisotrope des composites. Ainsi le modèle de diffusion a été utilisé sur pale d’hydrolienne. Finalement des premières investigations sur le couplage entre le modèle de diffusion et l’endommagement ont été réalisées. Cette étude a contribué au développement d’outils pour quantifier la durabilité au long terme des pales d’hydroliennes en composites. / Composite materials are used in many marine structures and new applications are being developed such as tidal turbine blades. The reliability of these components, in a very severe environment, is crucial to the profitability of tidal current energy systems. These structures are subject to many forces such as ocean tides, waves, storms but also to various marine aggressions, such as sea water and corrosion. A thorough understanding of the long term behavior of the moving parts is therefore essential. The majority of tidal turbine developers have preferred carbon blades, so there is a need to understand how long immersion in the ocean affects these composites. In this study the long term behavior of different carbon/epoxy composites has been studied using accelerated ageing tests. A significant reduction of composite strengths has been observed after saturation of the material in seawater. For longer immersions only small further changes in these properties occur. No significant changes have been observed for moduli nor for composite toughness. Changes in properties are initially due to matrix plasticization, followed by reductions due to fibre/matrix interface changes. Damage can affect the long term behavior of composites structures and create new pathways for water diffusion. As a consequence a damage model has been proposed based on a coupled strength/toughness criterion to describe the threshold of damage and on a toughness criterion to describe the crack development kinetics. It describes in a correct manner the damage threshold and kinetics for the as-received material and for material after sea water ageing. The evolution of the rate of water ingress into composite materials has been followed, in order to develop a diffusion model taking into account the anisotropic nature of composites. Then the diffusion model has been applied on a tidal turbine blade. Finally a first investigation of the coupling between the diffusion model and damage has been performed. This study has contributed to the development of tools to quantify long term durability of composite tidal turbine blades.

Malgré l'intérêt suscité, l'exploitation de l'énergie hydrolienne accuse toujours un sérieux retard par rapport à d'autres ressoures renouvelables. Ce développement tardif s'explique d'une part par l'absence d'une méthodologie pertinente de quantification du potentiel hydrocinétique, d'autre part, par le milieu marin, jugé hostile, au sein duquel des phénomènes turbulents,appliquent des contraintes sur la structure des hydroliennes. Offrant une vision précise de l'écoulement et de son hétérogénéité spatiale et temporelle, la courantographie radar, présentée dans la première partie de cette thèse, constitue un outil puissant d'analyse de la dynamique de la marée. Inédite dans le domaine des énergies renouvelables, elle offre une alternative probante à la modélisation numérique, souvent privilégiée bien que générant des résultats contestables compte tenu de sa conceptualisation simpliste des phénomènes réels. L'étude d'impact d'un écoulement turbulent pleinement développé sur la performance énergétique de prototypes d'hydroliennes de type Darrieus constitue la seconde partie de cette thèse. L'analyse spectrale des signaux temporels de vitesse de courant a permis de révéler les propriétés scalaires de l'écoulement. La caractérisation multi-échelle a montré que l'écoulement est animé par un processus dynamique de brisures successives des structures fluides imbriquées de taille allant de l'échelle d'injection à l'échelle de diffusion moléculaire. Enfin, le partitionnement en échelles dynamiques de la turbulence des spectres de vitesse et de puissance générée par l'hydrolienne a mis en évidence une certaine similarité entre la taille des structures tourbillonnaires qui régissent l'écoulement et les dimensions de la turbine. / Despite the growing interest , the use of tidal energy still lags far behind other renewable resource. This delayed development can be explained, on the one hand, by the absence of a relevant methodology for quantifying the hydrokinetic potential and, on the other hand, by the hostile marine environment, in which turbulent phenomena apply constraints on the structure of marine current turbines. The use of High Frequency Radar, presented in the first part of this thesis, provides a powerful tool for analyzing tidal dynamics and its spatial and temporal heterogeneity. Never used in the fields of renewable marine energy, it offers a convincing alternative to numerical modeling which is often chosen although generating questionable results because of simplistic conceptualization of real phenomena. The second part of this thesis is the study of the impact of a fully developed turbulent flow on the performance of a Darrieus-type turbine prototypes. The spectral analysis of the current velocity time series revealed the scalar properties of the flow. Multiscale characterization showed that the flow is driven by a dynamic process of successive breaks of fluid structures of size ranging from the injection scale to the molecular diffusion scale. Finally, the dynamical scaling of the turbulence of the velocity and power spectra generated by the marine current turbine has revealed a certain similarity between the size of the eddies structures that govern the flow and the dimensions of the turbine.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions – deux composantes (2D-2C) et deux dimensions – trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine. / This PhD thesis has been carried out within the framework of the HARVEST project. This research program, initiated in 2001 by the LEGI laboratory (Grenoble, France), is devoted to the development of a new marine turbine concept inspired from Darrieus turbines in order to convert kinetic energy of marine, tidal or river currents into electric energy. This work has been focused on the development of an experimental apparatus based on two dimensions – two components (2D-2C) and two dimensions – three components (2D-3C) Particle Image Velocimetry. The objective is to provide an experimental database for the local validation of 2D and 3D RANS computations and to improve our understanding of unsteady hydrodynamics phenomena experienced in this type of turbine and especially of dynamic stall. Comparison between measurements and computations enabled to identify strengths and limitations of numerical models for various operating conditions of this type of turbine.

Cette thèse présente les trois approches : analytique, expérimentale et numérique développées pour étudier le comportement d'une hydrolienne à membrane ondulante. Cette technologie, portée par l'entreprise EEL Energy, est basée sur les déformations périodiques d'une structure flexible pré-contrainte. Des convertisseurs d'énergie, positionnés de part et d'autre du système, sont actionnés par le mouvement d'ondulation.Analytiquement, la membrane est représentée par un modèle linéaire de poutre à une dimension et l'écoulement par un fluide potentiel 3D. L'action du fluide sur la membrane est évaluée par la théorie des corps élancés. L'énergie est dissipée de façon continue sur la longueur de la membrane. Expérimentalement, un prototype à l'échelle 1/20ième a été développé, des micro-vérins permettent de simuler l'énergie produite. Les essais avec le prototype1/20ième ont permis de valider le concept d'hydrolienne à membrane ondulante et le mode de récupération d'énergie. Un modèle numérique 2D éléments finis a été mis au point. Chaque élément constitutif de la membrane y est reproduit, la dissipation d'énergie est réalisée par des éléments dissipatifs mais la loi d'amortissement est limitée à un amortissement linéaire en vitesse.La comparaison des résultats issus de ces trois modèles a permis de valider leur bonne capacité à reproduire le comportement de la membrane sans conversion d'énergie. La dissipation d'énergie appliquée avec le modèle analytique se distingue clairement des deux autres modèles de part sa localisation mais aussi par la loi d'amortissement utilisée. Les autres modèles sont cohérents entre eux et si on ne parvient pas à corréler les résultats de puissance dissipée, le comportement du système et la répartition de la puissance dissipée le long de la membrane sont semblables. Ces trois approches ont permis de mettre en avant les paramètres clés dont dépend le comportement de la membrane et l'étude paramétrique démontre la complémentarité et l'intérêt du développement conjoint des modèles dans un souci industriel d'optimisation du système. Le développement d'un prototype à l'échelle supérieure (1/6ème), devant faire le lien entre les essais en bassin et les essais en mer, a permis de travailler sur les effets d'échelle. Des différences de comportements sont observées entre ces deux prototypes mais elles sont dues en partie à des différences de conditions aux limites et en partie à des effets de confinements très importants. Pour évaluer la tenue sur le long terme du prototype, ses composants (composite, élastomère) ont été caractérisés précisément et des essais de vieillissement accéléré par température ainsi que des essais de fatigue ont été mis en place sur des échantillons de matière. / This manuscript presents three approaches : analytical, experimental and numerical, to study the behavior of a flexible membrane tidal energy convertor. This technology, developed by the EEL Energy company, is based on periodic deformations of a pre-stressed flexible structure. Energy convertors, located on each side of the device, are set into motion by the wave-like motion.In the analytical model, the membrane is represented by a linear beam model at one dimension and the flow by a 3 dimensions potential fluid. The fluid forces are evaluated by the elongated body theory. Energy is dissipated all over the length of the membrane. A 20th scale experimental prototype has been designed with micro-dampers to simulate the power take-off. Trials have allowed to validate the undulating membrane energy convertor concept. A numerical model has been developed. Each element of the device is represented and the energy dissipation is done by dampers element with a damping law linear to damper velocity.Comparison of the three approaches validates their ability to represent the membrane behavior without damping. The energy dissipation applied with the analytical model is clearly different from the two other models because of the location (where the energy is dissipated) and damping law. The two others show a similar behavior and the same order of power take off repartition but value of power take off are underestimated by the numerical model. These three approaches have allowed to put forward key-parameters on which depend the behavior of the membrane and the parametric study highlights the complementarity and the advantage of developing three approaches in parallel to answer industrial optimization problems.To make the link between trials in flume tank and sea trials, a 1/6th prototype has been built. To do so, the change of scale was studied. The behavior of both prototypes is compared and differences could be explained by differences of boundary conditions and confinement effects. To evaluated membrane long-term behavior at sea, a method of aging accelerated by temperature and fatigue tests have been carried out on prototype materials samples immerged in sea water.

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.

L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien. / The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines.