Dans un contexte de diversification et de transition énergétique, plusieurs recherches s’intéressent à l’énergie hydrolienne. Parmi ces nouvelles technologies étudiées, il y a le VIVACE (Vortex-Induced-Vibrations Aquatic Clean Energy), une turbine basée sur l’interaction fluide-structure de cylindres libre d’osciller sur un support qui a l’avantage de fonctionner dans les rivières avec de faibles débits. Parallèlement, il est connu que deux cylindres placés de façon cruciforme dans un écoulement produisent d’autres régimes de vortex qui influencent l’interaction fluide-structure. L’objectif est donc de combiner ces deux sujets afin de poursuivre la contribution sur l’énergie hydrolienne. Plus précisément, la recherche consiste à étudier expérimentalement et numériquement l’interaction fluide-structure de deux cylindres espacés en position cruciforme dans un contexte d’extraction d’énergie. Effectivement, il existe peu d’études numériques sur les cylindres cruciformes et il reste encore des zones inexplorées dans le domaine des vibrations induites par vortex (VIV) que ce mémoire tentera de couvrir en partie.

Les vibrations induites par vortex ainsi que les principaux phénomènes associés aux cylindres en position cruciforme sont, dans un premier temps, détaillés afin d’introduire les résultats expérimentaux et numériques. Une campagne expérimentale effectuée à l’institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg pour un nombre de Reynolds d’environ 34 000 a permis d’obtenir une première série de données. Ces résultats expérimentaux ont, entre autres, pu confirmer les tendances observées numériquement en 2D lorsqu’il n’y a qu’un seul cylindre. En plaçant deux cylindres de façon cruciforme dans le canal, un rendement maximal est obtenu lorsqu’une distance d’approximativement 1D sépare les cylindres pour plusieurs configurations de rigidité et d’amortissement et un ratio de masse (𝑚∗/((𝜋/4)𝜌𝐷2𝑏)) ) de 2.41. La campagne numérique, quant à elle, effectuée pour un nombre de Reynolds largement inférieur, soit de 250, corrobore la présence d’un pic de rendement autour d’un espacement entre les cylindres de 1D. Toutefois, contrairement aux résultats expérimentaux, ce pic de rendement est nettement inférieur à l’efficacité d’un cylindre seul. De plus, pour les espacements légèrement inférieurs, il y a la présence d’un creux dans le rendement non perçu pour les essais dans le canal. Il faut noter que le ratio de masse choisi est maintenant de 1 afin de pouvoir comparer ces résultats à ceux d’une ancienne étude paramétrique.

In a context of energy transition, an increasing number of studies take interest in hydropower. Among these new developed technologies, the VIVACE (Vortex-Induced-Vibrations Aquatic Clean Energy), a turbine activated under the influence of a fluid-structure phenomenon known as Vortex-Induced Vibrations (VIV) is currently studied. It is composed of one or an array of cylinders free to oscillate in the cross-flow direction in an adequate support in order to extract energy. Its main advantage is to operate in slow water currents since this phenomenon starts to appear for low Reynolds number. In addition, another field of fluid-structure interaction investigates the flow around and between two cylinders placed in a cruciform arrangement, which is known to produce a new vortex regime. The objective of this project is to combine these two fields and thus advance the contribution on hydropower. More precisely, this research explores experimentally and numerically the fluid-structure interaction of two cylinders installed in a cruciform configuration in a context of energy extraction. Indeed, there are only few research interested in investigating numerically the cruciform arrangement and there are still unexplored issues that this master thesis will try to partly cover.

Vortex-Induced Vibrations and aspects of fluid-structure interaction associated with cylinders in a cruciform arrangement are firstly detailed in order to introduce experimental and numerical results. The experimental campaign completed at “l’institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg” for a Reynolds number around 34 000 allowed to confirm previous trends obtained for two dimensional simulations at lower Reynolds numbers for one cylinder. With the addition of a second cylinder downstream, maximum efficiency is achieved with a space between the two bodies of approximately 1D for various configurations of stiffness and damping and a mass ratio (𝑚∗/((𝜋/4)𝜌𝐷2𝑏))) of 2.41. The numerical experiments, carried out at a Reynolds number of 250, corroborate a peak of efficiency for spacing of 1D. However, this peak does not correspond to the highest achievable efficiency. Indeed, the configuration with only one cylinder exhibits higher power harnessing. Moreover, for distances slightly greater, there is a significant decrease in energy extraction not observed previously in the water channel at a higher Reynolds number. However, the mass ratio of 1, chosen for numerical simulations, is based on previous results obtained and simplify comparisons between numerical results.