Cette maîtrise s'inscrit dans la continuité d'un projet multidisciplinaire de grande envergure se déroulant à l'Université LAVAL, qui a pour but d'analyser les différentes caractéristiques et d'étudier la faisabilité d'une nouvelle technologie de production d'énergie : l'hydrogénérateur à ailes oscillantes. On s'intéresse ici à l'étude expérimentale des forces hydrodynamiques créées par un écoulement d'eau autour de ces ailes. M. Jean-Frederick Faure ayant déterminé dans un précédent mémoire les différentes technologies permettant la mesure de ces forces, ce mémoire présente essentiellement les travaux concernant l'amélioration du montage (installation et étalonnage des nouveaux instruments de mesure) et les résultats et analyses découlant des différents essais réalisés. Des efficacités énergétiques supérieures à 30% ont pu être trouvées et comparées favorablement avec les valeurs de simulations numériques effectuées à l'Université Laval. Une campagne d'essai a en outre permis d'évaluer l'influence des différents paramètres du mouvement (fréquence de cycle, amplitudes de pilonnement et de tangage) sur cette efficacité.

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.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Ce mémoire présente une étude numérique du phénomène d'oscillations auto-induites d'une aile rigide montée sur un support élastique. Ces oscillations ont été rapportées expérimentalement au Collège Militaire Royal du Canada par l'équipe du professeur Poirel. Ils ont montré que le phénomène a lieu dans une plage de nombres de Reynolds spécifique où la transition de la couche limite peut survenir : 5 x 10⁴ < Rec < 1.3 x 10⁵. Des oscillations en tangage seulement ainsi qu'en tangage et pilonnement ont été observées. Les oscillations en tangage seulement ont une amplitude d'environ 5 degrés et une fréquence aux alentours de 3 Hz. Les oscillations en tangage et pilonnement ont des amplitudes de tangage pouvant atteindre 65 degrés selon la rigidité structurale et des fréquences allant de 3 à 5 Hz. Le phénomène a été étudié ici par la mécanique des fluides numérique. Le code libre OpenFOAM utilisant la méthode des volumes finis a été utilisé pour simuler le problème aéroélastique. Dans le cas des oscillations en tangage, une très bonne comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux a été obtenue. L'utilisation d'un modèle de transition a entraîné une amélioration par rapport aux simulations numériques réalisées dans le passé et a contribué à mieux élucider la physique en jeu. La séparation de la couche limite laminaire étant le mécanisme déclencheur du phénomène, ces oscillations sont appelées flottement de séparation laminaire. L'impact de 1' intensité turbulente de 1' écoulement sur les oscillations a été étudié et s'est révélé jouer un rôle très important: un haut niveau empêchant l'apparition des oscillations. Le caractère secondaire du rôle joué par les structures d'écoulement à haute fréquence a été démontré ainsi que les différents mécanismes de dissipation d'énergie en jeu. Les oscillations auto-induites en tangage et pilonnement combinés ont également été simulées. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux n'est pas aussi bonne que dans le cas de oscillations en tangage, mais des tendances similaires sont tout de même observées. Lorsque la rigidité structurale en pilonnement est petite, des oscillations de faibles amplitudes en tangage et pilonnement sont obtenues, tel que dans le cas en tangage pure. Lorsque la rigidité structurale est grande, d' importantes amplitudes de tangage sont obtenues qui s'avèrent du même ordre de grandeur que celles observées en expérimental. Ces oscillations diffèrent du cas en tangage puisqu'elles sont caractérisées par un flottement de coalescence plutôt qu'un flottement de séparation laminaire.

L'objectif principal de ce mémoire est de contribuer à la compréhension du phénomène des oscillations en tangage d'une aile rigide montée sur support élastique. Ces oscillations sont observées dans une plage de nombres de Reynolds associés à l'ordre de grandeur de la transition des couches limites pour cette géométrie : 5 x 10⁴ < Rec < 1.2 x 10⁵. Ces travaux expérimentaux réalisés par l'équipe du professeur Poirel au Collège militaire royal ont montré que, dans la configuration nominale, les ordres de grandeur de l'amplitude et de la fréquence des oscillations sont respectivement de 5 et 3 Hz. Afin de contribuer à l'étude phénoménologique de ces oscillations aéroélastiques, une campagne d'essais expérimentaux ciblés a été réalisée à l'automne 2008 dans la soufflerie du Collège militaire royal. Des résultats exposant les effets de l'inertie de l'aile ainsi que du déclenchement de la transition de la couche limite sur l'amplitude et la fréquence des oscillations ont été analysés. Par ailleurs, des simulations numériques de l'écoulement et de la dynamique de l'aile ont été réalisées à l'aide du code commercial Fluent. Ces résultats montrent entre autres l'importance du décollement partiel de la couche limite laminaire qui correspond à une couche cisaillée soumise à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz. Au niveau quantitatif, les simulations prédisent l'amplitude et la fréquence des oscillations avec le bon ordre de grandeur. Pour une étude permettant de produire des résultats plus précis au niveau quantitatif, une approche du type RANS avec modèle de transition ou encore une approche LES seraient envisageables.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La première partie de ce mémoire de maîtrise concerne principalement la validation d'une méthode de calcul des forces et moment instationnaires sur des corps mobiles dans une méthode lagrangienne par particules vortex. La méthodologie développée ne requiert pas la pression, une variable qui n'est plus disponible directement dans notre algorithme lagrangien. La seconde partie vise l'optimisation de systèmes de deux ailes oscillantes à l'aide de simulations numériques en deux dimensions. Les ailes oscillantes considérées effectuent un mouvement de pilonnement (translation transverse) et de tangage (rotation) dans un écoulement pour en soutirer de l'énergie. Dans la configuration en tandem, pour laquelle les ailes sont une derrière l'autre, le positionnement de l'aile arrière influence grandement l'efficacité, qui peut atteindre 40% avec un placement adéquat. Dans la configuration en parallèle, pour laquelle les ailes sont une au-dessus de l'autre, les rendements maximaux atteints sont de l'ordre de 30% en raison de l'augmentation intrinsèque de la fenêtre d'écoulement.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement d'intégrales oscillantes lorsqu'un paramètre fréquentiel tend vers l'infini. Pour cela, nous considérons la version de la méthode de la phase stationnaire de A. Erdélyi qui couvre le cas d'amplitudes singulières et de phases ayant des points stationnaires d'ordre réel, et qui fournit des estimations explicites de l'erreur. La preuve est entièrement détaillée dans la thèse et la méthode améliorée. De plus nous montrons l'impossibilité de déduire, à partir de cette méthode, des estimations uniformes par rapport à la position du point stationnaire dans le cas d'amplitudes singulières. Afin d'obtenir de telles estimations, nous étendons le lemme de van der Corput au cas d'amplitudes singulières et de points stationnaires d'ordre réel.Ces résultats sont appliqués à des solutions d'équations dispersives sur la droite réelle. La transformée de Fourier de la donnée initiale est à support compact et/ou a un point singulier intégrable. Des développements à un terme et des estimations uniformes dans certains cônes de l'espace-temps sont établis: ceci montre que les paquets d'ondes tendent à être localisés dans certains cônes lorsque le temps tend vers l'infini, décrivant leurs mouvements asymptotiquement en temps.Pour finir, nous considérons des solutions approchées de l'équation de Schrödinger avec potentiel sur la droite réelle, telle que la transformée de Fourier du potentiel est à support compact. En appliquant les méthodes précédentes, nous prouvons que ces solutions approchées tendent à être concentrées dans certains cônes lorsque le temps tend vers l'infini, mettant en évidence des phénomènes de type réflexion et transmission. / In this thesis, we study the asymptotic behaviour of oscillatory integrals for one integration variable with respect to a large parameter. We consider the version of the stationary phase method of A. Erdélyi which covers singular amplitudes and phases with stationary points of real order together with explicit error estimates. The proof, which is only sketched in the original paper, is entirely detailed in the present thesis and the method is improved. Moreover we show the impossibility to derive from this method uniform estimates in the case of singular amplitudes with respect to the position of the stationary point. To obtain such estimates, we extend the classical van der Corput lemma to the case of singular amplitudes and stationary points of real order.These results are then applied to solution formulas of certain dispersive equations on the line, covering Schrödinger-type and hyperbolic examples. We suppose that the Fourier transform of the initial condition is compactly supported and/or has a singular point. Expansions to one term and uniform estimates of the solutions in certain space-time cones are established: this shows that the waves packets tend to be time-asymptotically localized in space-time cones, describing their motions when the time tends to infinity.Finally we consider approximate solutions of the Schrödinger equation on the line with potential, where the Fourier transform of the potential is also supposed to have a compact support. Applying the methods mentioned above, we prove that these approximate solutions tend to be time-asymptotically concentrated in certain space-time cones, exhibiting reflection and transmission type phenomena.

Ce mémoire développe la partie électrique du projet de l’hydrogénérateur à ailes oscillantes. Le but est de fournir à l’hydrogénérateur un système de conversion électromécanique avec son électronique de commande. Pour cela, deux types de machines électriques à aimants permanents ont été étudiées afin de déterminer celle qui officiera comme génératrice électrique. La forme du couple hydrodynamique impose le recours à un multiplicateur de vitesse. Un outil de dimensionnement du multiplicateur a été développé à partir d’une approche phénoménologique. Puis le dimensionnement d’inerties est évoqué dans le processus d’optimisation. Un outil d’optimisation complet de la conversion électromécanique a été élaboré en statique. Un autre outil pour la simulation dynamique a été mis au point afin de réaliser un asservissement de la vitesse de la turbine. Le convertisseur statique joue un rôle crucial puisqu’il doit maintenir une ondulation de vitesse de ±10% autour de la consigne pour valider le concept.

L'objectif principal de ce mémoire est de présenter le processus de conception qui a mené à la réalisation d'un prototype expérimental d'hydrogénérateur à ailes oscillantes de 1 kW. Ce dernier a été réalisé de manière à démontrer le potentiel d'extraction d'énergie d'un hydrogénérateur à ailes oscillantes et pour valider certaines prédictions numériques effectuées par le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numériques (LMFN) de l'Université Laval. Une revue de littérature présentant tous les hydrogénérateurs à aile(s) oscillante(s) répertoriés dans la littérature et leur principe de fonctionnement est d'abord présentée. Ensuite, la conception et l'expérimentation d'un premier prototype de petite taille est montrée. Des observations pertinentes quant à la conception du prototype de 1 kW sont aussi incluses. Suit alors la description explicite de la conception de l'embarcation motorisée permettant de faire fonctionner le prototype de 1 kW, la présentation du choix de la topologie de mécanisme et son processus d'optimisation et une description détaillée du prototype de 1 kW lui-même. Les résultats expérimentaux obtenus avec le prototype de 1 kW sont présentés de façon sommaire. Une analyse approfondie de ces derniers sera effectuée par Kinsey ([1]).

L'objectif principal de ce mémoire est de mettre à jour les étapes parcourues dans la synthèse de mécanismes pour une génératrice éolienne/hydrolienne à ailes oscillantes. En effet, l'utilisation d'ailes oscillant dans un écoulement d'air ou d'eau afin d'en extraire de l'énergie nécessite un contrôle par un mécanisme contraignant cette dite oscillation. Une architecture doit donc être conçue afin d'imposer le mouvement adéquat de tangage et de pilonnement aux ailes, en plus de transférer aux alternateurs l'énergie cinétique extraite. De ce fait, l'analyse de l'aile oscillante à auto-compensation, un mécanisme proposé dans la littérature, est d'abord conduite. Deux lacunes sont ainsi identifiées : le manque d'adaptabilité du système à l'environnement et l'impossibilité d'atteindre des amplitudes de tangage supérieures à 62 °. S'ensuit alors une recherche de solutions pouvant procurer les mouvements établis qui se solde en l'élaboration de deux architectures à deux degrés de liberté : Valkyrie 2 et AEGIR. L'examen de celles-ci révèle ensuite que Valkyrie 2 est plus difficile à contrôler qu'AEGIR, puisque ce dernier possède une commande découplée. De son côté, Valkyrie 2 utilise seulement des barres et des liaisons rotoïdes, ce qui est un avantage du point de vue de l'efficacité énergétique. En étudiant par la suite la possibilité d'utiliser ces mécanismes dans des systèmes tandem, l'avantage du contrôle découplé d'AEGIR se fait plus important, puisqu'il est plus facile de diriger l'orientation des ailes par le pivot central à l'aide de courroies plutôt que par de nombreuses membrures. Finalement, la proposition d'ajouter des masses décentrées au système AEGIR tandem est apportée afin d'améliorer l'allure de la courbe de puissance en sortie du système.

Cette thèse concerne l’étude des ailes oscillantes flexibles et des méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première contribution concerne le développement d’un algorithme de couplage fluide-structure qui prend en charge les interactions entre un solide élastique en grands déplacements et un fluide incompressible. L’algorithme est basé sur une approche partitionnée et permet d’utiliser des codes numériques de mécanique des fluides et de mécanique des solides existants. L’utilisation d’un terme de compressibilité artificiel dans l’équation de continuité du fluide combinée à des choix algorithmiques judicieux permet d’utiliser cette méthode de couplage efficacement avec un code de mécanique des fluides utilisant une méthode de projection de type SIMPLE ou PISO. La seconde contribution est l’étude de l’effet de flexibilité des ailes sur le vol à ailes battantes. Deux principaux régimes de vol sont mis en évidence concernant la déformation de l’aile : déformation causée par la pression et déformation causée par l’inertie. Les effets de ces régimes sur la topologie de l’écoulement et sur les performance de l’aile en propulsion sont discutés. Il est montré que les cas avec des déformations causées par la pression présentent généralement des efficacités plus élevées avec une flexibilité modérée. Il en est de même pour la force de poussée lorsque l’amplitude de tangage est faible. D’autre part, lorsque les déformations sont causées par l’inertie, les performances de l’aile sont généralement réduites. Certains cas montrent une augmentation marginale des performances lorsque le synchronisme des déformations est optimal, mais ces cas représentent davantage une exception que la norme. Il est également démontré que la flexibilité peut être utilisée comme mécanisme de tangage passif tout en conservant des performances intéressantes. Enfin, un modèle d’aile oscillante flexible non contraint est présenté. Il est démontré que le mouvement de déviation observé dans la nature est une conséquence d’un phénomène aérodynamique de mise en drapeau. / This thesis concerns the study of flexible flapping wings and the related numerical methods. It thus contains two distinct themes. The first contribution is the implementation of an efficient fluid-structure interaction algorithm that handles the interaction of an elastic solid undergoing large displacement with an incompressible fluid. The algorithm is based on the partitioned approach and allows state-of-the-art fluid and structural solvers to be used. Stabilization with artificial compressibility in the fluid continuity equation along with judicious algorithmic choices make the method suitable to be used with SIMPLE or PISO projection fluid solvers. The second contribution is the study of the effects of wing flexibility in flapping flight. The different regimes, namely inertia-driven and pressure-driven wing deformations are presented along with their effects on the topology of the flow and, eventually, on the performance of the flapping wing in propulsion regime. It is found that pressure-driven deformations can increase the thrust efficiency if a suitable amount of flexibility is used. Thrust increases are also observed when small pitching amplitude cases are considered. On the other hand, inertia-driven deformations generally deteriorate aerodynamic performances of flapping wings unless meticulous timing is respected, making them less practical. It is also shown that wing flexibility can act as a passive pitching mechanism while keeping decent thrust and efficiency. Lastly, a freely-moving flexible flapping wing model is presented. It is shown that the deviation motion found in natural flyers is a consequence of a feathering mechanism.