Ecole Navale

architecture prototype shiva

Benoît Paillard a soutenu sa thèse de doctorat à l’Ecole navale le 12 décembre 2011. Il a effectué ses travaux dans le cadre d’un contrat d’allocataire de recherche financé par la Région Bretagne.

Ses travaux portaient sur un sujet original et d’actualité :

Simulation numérique et optimisation d’une turbine hydrolienne à axe transverse à variation cyclique active de l’angle de calage

au centre du projet SHIVA également supporté par BMO [1].

Le Jury composé de :

• Mohamed Benbouzid, Professeur des universités au LBMS [2], IUT, Université de Bretagne Occidentale – BREST, président
• Elie Rivoalen, Professeur des universités au département Génie Physique de l’INSA Rouen – LE HAVRE, rapporteur
• Olivier Coutier Delgosha, professeur des universités à LML [3], LILLE, rapporteur
• Ion Paraschivoiu, professeur à l’Ecole Polytechnique de Montréal(Québec - Canada)
• Thierry Maître, Maître de Conférences au LEGI [4] de GRENOBLE
• Jacques André Astolfi, Maître de conférences HdR à l’IRENav, directeur de thèse
• Frédéric Hauville, Maître de conférences à l’IRENav, co-encadrant

lui a décerné le titre de Docteur de l’Université de Bretagne Occidentale, mention Génie Mécanique, avec mention très honorable.

le Dr Benoit Paillard en compagnie du jury

Résumé de la thèse : Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation d’efforts et d’écoulement dynamiques autour d’un profil en mouvement complexe dans un écoulement uniforme : la combinaison d’une rotation autour d’un axe distant et d’un tangage classique autour du quart de corde. Elle vise à mettre en place des méthodes de simulation simples de dimensionnement et de prédiction de performance d’une turbine Darrieus à contrôle actif de pas ; elle vise également à proposer une méthode de calcul permettant la simulation de l’écoulement et l’optimisation de ce type de turbine dont les pales ont leur calage qui varie cycliquement. Elle trouve son application dans l’étude et le développement des énergies marines renouvelables, et plus particulièrement des machine d’extraction d’énergie cinétique de courants de marée ou fluvial à axe transverse. L’objectif est de construire des outils de simulation permettant une étude approfondie des possibilités des systèmes à axe transverse avec variation cyclique active de pas. Pour répondre à cela deux stratégies de modélisation ont été suivies. D’une part l’adaptation du pas variable à une méthode énergétique couplée à différents modèles de prédiction des efforts instationnaires sur un profil ; et d’autre part une simulation URANS avec maillage tournant/déformant pour prendre en compte cette variation de pas. L’ensemble des phénomènes instationnaires sur un profil d’aile est étudié ; l’observation des comportements constatés expérimentalement, l’influence de différents effets temporels et spatiaux sur les efforts et l’écoulement, les différents régimes d’instationnarité qui existent d’une part ; les différentes méthodes existantes pour la simulation et la prédiction de ces phénomènes.

Cette étude permet ensuite d’appliquer ces différents modèles instationnaire à la méthode énergétique, de manière à obtenir un outils de simulation, d’optimisation et de design robuste et rapide. En effet la rapidité de ce modèle permet de l’utiliser pour mener des études d’optimisation d’incidence sur beaucoup de lois de variation de pas. En outre le développement d’un prototype a nécessité la mise en place d’un tel outil. Il a permis de mener à bien le dimensionnement d’une plateforme expérimentale en cours de fabrication. Le modèle de décrochage dynamique ONERA-EDLIN a été appliqué pour la première fois à un système de turbine à axe transverse. La plus grande précision de ce modèle, sa capacité à modéliser les efforts instationnaires en régime non décroché et décroché, ses qualités de prédiction du moment hydrodynamique instationnaire, et sa capacité à modéliser n’importe quelle cinématique et pas seulement le tangage ont motivé le choix de ce modèle. Une simulation RANS est présentée, avec pour but d’avoir une vision plus précise des phénomènes mis en jeu, et un outil d’optimisation plus proche de la réalité des phénomènes physiques. Les différentes conclusions obtenues par l’application de la méthode précédente sont utilisées, la méthode RANS étant beaucoup plus lourde. L’objectif premier de cette partie et de fournir une étude des possibilités, de la précision et des conditions paramétriques (discrétisation, état de fluide etc...) liées à l’application de la méthode URANS aux turbines à axe transverse, pouvant servir de bases à des études futures. Le second objectif et l’étude de la variation de calage, des gains en performance envisageables, et de l’influence sur l’écoulement de tels systèmes. La variation d’angle de calage a permis d’obtenir une augmentation de performance maximal de 52%. L’essai des différents modèles fluides disponibles a mis en évidence l’efficacité du modèle turbulent. Le modèle de transition, pourtant prometteur et semblant plus adapté aux cas d’application considérés, s’est révélé peu performant, mais aucune investigation supplémentaire n’a été effectuée. La comparaison avec l’expérience dans le cas turbulent avec modèle de turbulence $k\omega-SST$ s’est révélée encourageante, notamment pour les rapports de vitesse périphériques opérationnels, autour de $\lambda=5$. Pour les $\lambda$ plus faibles les résultats sont en moyenne similaires mais le modèle peine à reproduire les variations aux fréquences naturelles du décrochage, dues aux lâchers tourbillonnaires. Ces phénomènes complexes ne sont cependant pas d’un grand intérêt pour l’optimisation d’un système, car aucun lâcher tourbillonnaire ne devrait intervenir lorsque qu’une turbine fonctionne normalement. Des simulations de variation d’angle sinusoïdales ont été mises en place. L’idée de départ était d’utiliser des fonctions sinusoïdales, faciles à paramétrer, et dont la fréquence est proportionnelle à celle de la turbine. Elles ont mis en évidence une augmentation de performance associée avec un rapprochement de la finesse maximale. A chaque fois les performances idéales sont caractérisées par une légère recirculation proche du bord d’attaque pour les azimut où l’incidence est maximale. Le comportement du flux global et le ralentissement se sont révélés être des facteurs de première importance pour obtenir un système optimal. La diminution d’incidence à l’amont a ainsi abouti non seulement à un rapprochement de la finesse maximale, mais également à une moindre perturbation du flux et donc à une vitesse de fluide plus importante dans l’écoulement autour des profils, aboutissant à des efforts plus élevés. A l’inverse une augmentation trop importante d’incidence à l’aval résulte en un blocage trop fort du flux, et peut diminuer grandement les performances à l’amont. Cette augmentation d’incidence est cependant nécessaire pour obtenir des gains du fait du ralentissement du flux entre amont et aval. Les moments hydrodynamiques nécessaires à la mise en rotation des profils se sont encore une fois montrés négligeables pour des variations d’harmoniques inférieures à 3.

Il est évident que la continuité de cette étude réside d’une part dans l’étude d’autres lois de calage, et d’autre part dans l’application à un système concret pour pouvoir aboutir à des systèmes transverses plus efficace. Les variations sinusoïdales ne sont qu’un premier pas, qui a constitué une approche directe et rapide dans le cadre d’une étude RANS. La complexification de la modification du calage ne pourra qu’apporter des améliorations. Pour continuer l’étude RANS, l’utilisation de fonctions sinusoïdales sommées ou multipliées semble être l’étape suivante. Pourront venir ensuite les fonctions discrètes. Une optimisation automatique où le calage est adaptatif est également possible, bien que l’établissement du sillage pose problème. Il est également nécessaire de poursuivre une étude expérimentale, qui dans le cas des turbines transverses pourrait être plus rapide et facile qu’une étude RANS. La mise en place d’un système de contrôle découlera de cette étude. Comme décrit précédemment le type de système utilisé pourra permettre de récupérer de l’énergie supplémentaire par cette rotation du profil. En outre un système capable de s’adapter aux conditions, pour lequel la loi de calage pourra être modifié serait préférable, mais sera plus complexe, et pourra difficilement gérer des fonctions complexes. Un système ne comportant qu’une loi de pas, par un système de came par exemple, pourrait être plus simple et plus apte à générer des variations complexes. Enfin la capacité d’un tel système à résister au milieu sous marin sera primordial, non seulement pour la sûreté du système en lui-même, mais également pour que l’opinion à propos de ces turbines soit positive, l’ajout d’un élément mécanique apparaissant comme a priori néfaste pour la maintenance.

Mots-Clés : Energie renouvelable marine, hydrolienne, Darrieus, instationnaire, URANS, CFD, Méthode des tubes, optimisation, contrôle du calage