Le laboratoire auquel j’appartiens s’intéresse depuis un certain temps à une nouvelle technologie d’hydrolienne à ailes oscillantes (HAO) et a mené plusieurs études numériques sur le sujet, mais celles-ci n’ont jamais considéré les effets de confinement et de surface libre (effet du nombre de Froude) inhérents aux rivières. L’intérêt est donc ici d’étudier le comportement de l’HAO dans ce contexte et de développer une meilleure compréhension des écoulements à surface libre. Non seulement il est important de mieux saisir la physique associée à l’opération d’une turbine hydrocinétique en rivière, mais il est aussi avantageux de pouvoir prédire à l’avance les forces et la puissance d’une turbine réelle installée sur un site spécifique.

Puisqu’il existe déjà un modèle 1D, stationnaire et non visqueux permettant de prédire les performances en milieu confiné d’une turbine idéale uniforme, il est possible d’en tirer profit pour mieux envisager l’impact du lit de la rivière et de la surface sur une turbine réelle. D’abord, la validité du modèle 1D est testée à l’aide de simulations numériques 2D et 3D utilisant une méthode CFD multiphase combinée à une approche par puits de quantité de mouvement. Ces simulations montrent que dans la plage d’opération typique d’une turbine, la théorie reste valide en dehors des hypothèses 1D et non visqueux. Elles confirment également que la présence d’une turbine en rivière crée une hausse du niveau de l’eau en amont de celle-ci, occasionnant du même coup un ralentissement de l’écoulement. Cela a pour effet de diminuer l’estimation initiale des forces et des puissances basé sur l’écoulement non perturbé.

De plus, des calculs URANS 2D de turbines à ailes oscillantes alliant des techniques de maillages mobiles et de remaillage sont présentés afin d’établir que ce genre de turbine suit les mêmes tendances que la théorie 1D face au confinement. Cependant, les performances du puits idéal de quantité de mouvement augmentent plus vite en milieu confiné que pour une HAO. Les simulations mettent également en lumière qu’au-delà de trois longueurs de corde sous la surface, celle-ci n’a que des effets minimes sur les performances et elles confirment que le point d’opération optimal d’une turbine dépend du confinement. Enfin, comme HAO est une technologie instationnaire, il est difficile de développer un modèle permettant de prédire les performances d’une telle turbine en fonction du confinement. Bien qu’un modèle ait pu être développé ici, celui-ci n’est pas encore parfait et évalue incorrectement la traînée une fois la turbine confinée. Des pistes pour améliorer le modèle actuel sont proposées et discutées.

The laboratory to which I belong has long been interested in a new technology of hydrokinetic turbine using oscillating foils (HAO) and has conducted several numerical studies on the subject, but never with consideration of free surface (Froude number effects) and blockage effects. The interest here is to study the turbine HAO in this context and to get a better understanding of open-channel flows. Not only it is important to better understand the physics associated with the operation of hydrokinetic turbines in rivers, but it is also advantageous to be able to predict the forces and power of a real turbine installed in a specific site.

Since there already exists a 1D, stationary and nonviscous model to predict the performances of an ideal uniform turbine in blockage and surface proximity conditions, it is possible to build on it to better address the impact of the river bed and the free surface on a real (nonideal) turbine. First, the validity of the 1D model is tested against 2D and 3D numerical simulations using a multiphase CFD method and an actuator disc approach. These simulations show that within the typical operating range of a turbine, the theory remains valid outside its 1D and nonviscous assumptions. They also confirm that the presence of a turbine in a river creates a swelling up of the water level upstream of the turbine, causing at the same time a slowdown of the upstream flow. This yields a decrease in the initial guess of forces and power based on the undisturbed flow.

Further, 2D URANS calculations of oscillating foils turbines HAO combining moving meshes and remeshing techniques are presented to establish that this kind of turbine follows the same trends as the 1D theory relative to blockage effects. However, as the theory implies an ideal uniform momentum sink, performances of the latter grow faster than an actual HAO in a confined flow. The simulations also highlight that beyond three chord lengths beneath the surface, the latter has only minimal effects on performances. They also confirm that a turbine must be optimized according to the blockage ratio. Finally, as HAO is an inherently unsteady technology, it is particularly difficult to develop a simple model well suited to such turbines that can predict accurately its performances as a function of blockage ratio. Although one has been developed in this work, it is not perfect yet and incorrectly evaluates drag in a confined flow context. Avenues to improve the current model are proposed and discussed.