Le présent mémoire vise à quantifier l'impact de la gravité et de la surface libre sur les performances de l'hydrolienne à pale oscillante passive. Ce prototype a été maintes fois étudié et est maintenant considéré comme un concept prometteur dans la lutte aux changements climatiques. Cependant, les études précédentes montrent l'efficacité du concept dans sa configuration avec axe de rotation vertical et donc, sans tenir en compte l'effet de la gravité et de la surface libre. Afin de conduire une étude de viabilité complète, ces facteurs doivent être tenus en compte. Ce mémoire propose une démarche numérique pour évaluer l'impact de la surface libre sur les performances de l'hydrolienne à pale oscillante passive fonctionnant grâce à deux instabilités couramment observées :​ l'instabilité de flottement de décrochage et l'instabilité de flottement couplé.

Un algorithme de couplage fluide-structure est utilisé pour résoudre les interactions et les équations du modèle mathématique connu de l'hydrolienne sont modifiées afin qu'elles tiennent en compte la gravité. Un environnement de calcul CFD est aussi créé pour effectuer la simulation de l'hydrolienne dans différentes conditions d'installation, caractérisées par le nombre de Froude de l'écoulement, utilisé pour quantifier l'effet de la gravité sur la dynamique de la turbine, puis le nombre de Froude de la rivière, utilisé pour quantifier la profondeur d'installation de l'hydrolienne.

La première étude permet de montrer que l'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement de décrochage étudiée est très peu influencée par la présence de la gravité si les forces inertielles dominent par rapport aux effets gravitationnels dans l'écoulement ou sont de même ordre. L'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement couplé étudiée, au contraire, est grandement influencée par la présence de la gravité :​ elle perd une grande partie de son efficacité lorsque la gravité agit dans son axe de déplacement.

La seconde partie du mémoire vise à déterminer l'effet de la surface libre sur l'hydrolienne à pale oscillante passive. Pour les deux hydroliennes à pale oscillante passive fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement de décrochage étudiées, cette étude permet de mettre en lumière qu'à certaines positions initiales de la pale, l'interaction entre la pale et la surface libre est positive et permet d'améliorer les performances de l'hydrolienne par rapport au cas sans surface libre et même par rapport au cas avec axe de rotation vertical, soit lorsque la gravité n'a aucun impact. Les performances de l'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement couplé étudiée sont diminuées par la présence de la surface libre et ce, peu importe sa distance au démarrage.

Les travaux présentés dans ce mémoire permettent de montrer qu'il est possible d'obtenir des efficacités de l'ordre de 50 % avec l'hydrolienne à pale oscillante passive fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement de décrochage, ce qui ne semblait être possible que pour les hydroliennes avec instabilité de flottement couplé selon les études menées avec un axe vertical en 2D. Il suffit de savoir tirer profit de la surface libre et du fond de la rivière, et du confinement qu'ils fournissent. L'étude montre aussi que l'instabilité de flottement de décrochage est beaucoup plus robuste aux modifications dans l'écoulement que l'instabilité de flottement couplé :​ la première résiste à l'ajout de gravité, et la modification de son importance par rapport aux forces inertielles de l'écoulement, alors que la deuxième perd une très grande partie de son efficacité. L'hydrolienne fonctionnant grâce à l'instabilité de flottement couplé n'est pas appropriée à l'utilisation avec un axe de rotation horizontal.

The aim of this thesis is to quantify the impact of gravity and free surface on the performances of a fully-passive oscillating foil turbine. This prototype has been studied many times and is now considered a promising concept in the fight against climate change. Previous studies show the efficiency of this concept in its vertical-axis configuration and therefore, without taking into account the effect of gravity and free surface. In order to conduct a complete viability study, these factors need to be taken into account. This thesis proposes a numerical approach to evaluate the impact of the free surface on the performances of the turbine. This study is carried out on the fully-passive oscillating foil turbine, operating with two commonly seen instabilities:​ the stall-flutter instability and the coupled-flutter instability.

A fluid-structure coupling algorithm is used, and the equations of the turbine’s mathematical model are modified to take gravity into account. A CFD computing environment is also created to simulate the turbine under different installation conditions, characterized by the Froude number of the flow, used to quantify the effect of gravity on turbine dynamics, and the Froude number of the river, used to quantify the tidal turbine installation depth.

The first study shows that the studied turbine undergoing a stall-flutter instability is very little influenced by the presence of gravity if inertial forces dominate over gravitational effects in the flow, or are of the same order. The studied turbine undergoing a coupled-flutter instability, on the other hand, is greatly influenced by the presence of gravity:​ it loses much of its efficiency when gravity acts in its axis of motion.

The second part of this thesis aims to determine the effect of the free surface on the passive oscillating turbine. For the two studied turbines undergoing a stall-flutter instability, it is shown that at certain initial positions of the blade, the interaction between the blade and the free surface is positive and improves the performance of the turbine compared to the case without free surface and even compared to the case with vertical axis of rotation, i.e. when gravity has no impact. The performance of the studied turbineundergoing a coupled-flutter instability is greatly reduced by the presence of the free surface, regardless of its distance at start-up.

The work presented in this thesis shows that it is possible to achieve efficiencies of the order of 50 % with the passive oscillating blade tidal turbine operating with the stall-flutter instability, which seemed to be possible only with the coupled-flutter instability according to studies carried out with a vertical axis. All that’s needed is to take advantage of the free surface and the confinement it provides. The study also shows that the two studied turbines undergoing a stall-flutter instability are much more robust to changes in the flow than the studied one undergoing a coupled-flutter instability:​ the former resists the addition of gravity, and the modification of its importance in relation to the inertial forces of the flow, whereas the latter loses a very important part of its efficiency. The parameters required to take advantage of the coupled-flutter instability do not seem to be adequate for an horizontal-axis turbine.