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THÈSE / UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE sous le sceau de l’Université Bretag

THÈSE / UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE sous le sceau de l’Université Bretagne Loire pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE Mention : Génie Mécanique - Mécanique des Fluides et Énergétique École Doctorale des Sciences de la Mer Présentée par Mahrez AIT MOHAMMED Préparée à l'Institut de Recherche Dupuy de Lôme, CNRS FRE- 3744, ENSTA Bretagne. Étude des Tuyères Composites pour une Conception Optimale d'une Hydrolienne à Axe Horizontal Study of Composites Ducts for Optimal Design of an Horizontal Axis Tidal Turbine Thèse soutenue le 13 janvier 2017 Devant le jury composé de : Zitouni AZARI Professeur, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Metz / Rapporteur Khalid LAFDI Professeur, University of Dayton, USA / Rapporteur Zouheir ABOURA Professeur, Université de Technologie de Compiègne / Examinateur Mohamed BENBOUZID Professeur, Université Européenne de Bretagne / Examinateur Bettar Ould EL MOCTAR Professeur, University of Duisburg-Essen, Germany / Examinateur Abdellatif IMAD Professeur, Université de Lille 1, Polytech Lille / Invité Fodil MERAGHNI Professeur, Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Metz / Invité Michel POITIER-FERRY Professeur, Université de Lorraine / Examinateur Mostapha TARFAOUI Enseignant Chercheur - HDR, ENSTA Bretagne / Directeur Jean-Marc LAURENS Enseignant Chercheur - HDR, ENSTA Bretagne / Co-Directeur REMERCIEMENTS Les travaux que je présente dans ce mémoire ont été réalisés à l’ENSTA Bretagne au sein de l’équipe Dynamique des Fluides, des Matériaux et des Structures (DFMS), Institut de Recherche Dupuy de Lôme à Brest. Je tiens tout d’abord à remercier chaleureusement Messieurs, Mostapha TARFAOUI, mon directeur de thèse, et Jean-Marc LAURENS, mon co-directeur, pour m’avoir fait confiance, pour leur aide précieuse et pour les années de travail que j’ai passées sous leur encadrement. Leur rigueur scientifique et leurs qualités humaines ont fait de cette thèse une expérience enrichissante pour moi. Je remercie Monsieur Yves-Marie Scolan, pour m’avoir accueilli au sein de son département et m’avoir permis de travailler dans de très bonnes conditions. Je veux ensuite remercier Messieurs Zitouni ARAZI, Professeur de l’Université de Lorraine, et Khalid LAFDI, Professeur de l’Université de Dayton, pour m’avoir fait l’honneur de bien vouloir rapporter ce mémoire. Je suis également très reconnaissant à Monsieur Michel POITIER-FERRY, Professeur de l’Université de Lorraine, d’avoir accepté de présider mon jury de thèse de doctorat. Je remercie Messieurs, Zouheir ABOURA, Mohamed BENBOUZID, Bettar Ould EL MOCTAR, d’avoir accepté le rôle d’examinateur. Je remercie également Messieurs Abdellatif IMAD et Fodil MERAGHNI, d’avoir participé à mon jury. Au tour maintenant des doctorants, ingénieurs de recherche et certains enseignants-chercheurs de l’ENSTA Bretagne que j’ai eu le plaisir de côtoyer pendant ces travaux : Abou, Ahmed, Alain, Antoine, Carole, Charbel, Guilhem, Jamal, Julien, Marion, Matthieu, Mehdi, Mohamed, Nedeleg, Nicolas, Omar, Owais, Richard, Sonia, Sylvain,… pour les discussions passionnantes que nous avons eues et surtout leur sympathie. Je remercie Pauline et Samantha pour les corrections et la relecture du mémoire. Enfin je veux remercier ma famille pour leur soutien et leurs encouragements tout au long de ces travaux. i INTRODUCTION GENERALE …... …...1 CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART SUR LES HYDROLIENNES …...9 1.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................... 10 1.2 SYSTEMES DE CONVERSION DE L’ENERGIE HYDROCINETIQUE ................................... 10 1.2.1 Classement des hydroliennes .................................................................................................. 11 1.2.2 Hydrolienne à axe horizontal versus hydrolienne à axe vertical ............................................. 12 1.2.3 Hydrolienne versus éolienne ................................................................................................... 13 1.3 THEORIE DE CONVERSION DE L'ENERGIE HYDROCINETIQUE ....................................... 14 1.4 SYSTEME DE CARENAGE .......................................................................................................... 20 1.4.1 Classification des systèmes de carénage ................................................................................. 21 1.4.2 Principe de fonctionnement d’une turbine carénée ................................................................. 24 1.4.3 Modèles analytiques pour l’étude de turbines carénées .......................................................... 25 1.5 ETUDE DES TURBINES MUNIES D’UN SYSTEME DE CARENAGE ................................... 29 1.5.1 Analyse des éoliennes munies d’un carénage ......................................................................... 30 1.5.2 Analyse des hydroliennes munies d’un carénage .................................................................... 33 1.6 CONCLUSION ............................................................................................................................... 36 Bibliographie …… 38 CHAPITRE 2 : ETUDE HYDRODYNAMIQUE D’UNE HYDROLIENNE ….41 2.1 METHODES NUMERIQUES D’ETUDE DU COMPORTEMENT HYDRODYNAMIQUE DES DES HYDROLIENNES ................................................................................................................ 42 2.1.1 Méthode de l’élément de pale couplée au bilan de quantité de mouvement (BEMt : Blade Element Momentum Theory) ........................................................................................................... 42 2.1.2 La méthode des éléments de frontières (Boundary Element Method) .................................... 45 2.1.3 Les méthodes à solveurs RANS (Reynolds Average Navier Stokes) ..................................... 46 2.2 THEORIE DE L’ECOULEMENT POTENTIEL ........................................................................... 49 2.2.1 Équation principale ................................................................................................................. 49 2.2.2 Conditions aux limites ............................................................................................................. 50 2.2.2.1 Condition de glissement ............................................................................................... 50 2.2.2.2 Condition à l’infini ....................................................................................................... 50 2.2.2.3 Condition de Kutta........................................................................................................ 50 2.2.3 Solution intégrale .................................................................................................................... 52 ii 2.3 METHODE DES SINGULARITES ............................................................................................... 55 2.3.1 Source tridimensionnelle ......................................................................................................... 55 2.3.2 Source bidimensionnelle ......................................................................................................... 55 2.3.3 Doublet tridimensionnel .......................................................................................................... 56 2.3.4 Doublet bidimensionnel .......................................................................................................... 56 2.3.5 Tourbillon ................................................................................................................................ 57 2.4 CODE POTENTIEL BIDIMENSIONNEL .................................................................................... 57 2.5 CODE POTENTIEL TRIDIMENSIONNEL .................................................................................. 58 2.6 HYDROLIENNE VERSUS HELICE MARINE ............................................................................ 59 2.7 CALCUL ITERATIF ROTOR SOUS TUYERE ............................................................................ 64 2.8 CONCLUSION ............................................................................................................................... 66 Bibliographie …..67 CHAPITRE 3 : CONCEPTION D’UN ROTOR D’HYDROLIENNE DOTE D’UN D’UN SYSTEME DE CARENAGE ….70 RESUME EN FRANCAIS .................................................................................................................... 71 1. INTRODUCTION ............................................................................................................................. 71 2. PRINCIPAUX TRAVAUX ET RESULTATS ................................................................................. 72 2.1 Validation ................................................................................................................................... 72 2.2 Procédure de conception ............................................................................................................ 73 3. CONCLUSION DE L’ARTICLE ..................................................................................................... 75 4. CONCLUSION ET PERSPECTIVE ................................................................................................ 75 Bibliographie. …..77 ARTICLE …..78 CHAPITRE 4 : APPLICATION DES COMPOSITES DANS LE SECTEUR EMR ….91 4.1 PLACE DES COMPOSITES DANS LE SECTEUR DES EMR ................................................... 92 4.2 GENERALITES SUR LES COMPOSITES ................................................................................... 93 4.2.1 Les stratifiés ............................................................................................................................ 95 4.2.2 Les structures sandwichs ......................................................................................................... 96 4.2.3 Procédé de fabrication des stratifiés à matrice organique ....................................................... 97 4.3 CONCEPTION DES STRUCTURES COMPOSITES ................................................................... 99 iii 4.4 LES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE............................................................... 101 4.4.1 Hélice marine en matériaux composites ................................................................................ 101 4.4.2 Hélice de génération de puissance (hydrolienne) en matériaux composites ......................... 104 4.5 ENDOMMAGEMMENT DES COMPOSITES ........................................................................... 107 4.5.1 Fissuration de la matrice ....................................................................................................... 107 4.5.2 Décohésion fibre-matrice ...................................................................................................... 108 4.5.3 Rupture des fibres .................................................................................................................. 108 4.5.4 Délaminage............................................................................................................................ 109 4.6 ECHELLES DE MODELISATION DES STRUCTURES COMPOSITES ................................. 111 4.7 MODELISATION DE L’ENDOMAGEMMENT DES STRUCTURES COMPOSITES ........... 112 4.7.1 Approches fondées sur des critères d’initiation à la ruine ..................................................... 113 4.7.2 Approches basées sur la Mécanique de l’Endommagement ................................................. 114 4.7.3 Approches basées sur la Mécanique de la Rupture ............................................................... 123 4.8 MODELISATION DES STRUCTURES COMPOSITES SOUS UN CODE ELEMENTS FINIS FINIS ........................................................................................................................................... 128 4.9 CONCLUSION ............................................................................................................................. 130 Bibliographie ....................................................................................................................................... 131 CHAPITRE 5 : CONCEPTION STRUCTURELLE D’UN CARENAGE D’HYDROLIENNE ... ...137 5.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 138 5.2 PROJECTION DES CHARGEMENTS ET FIXATION DE LA TURBINE ............................... 138 5.2.1 Transfert des pressions .......................................................................................................... 138 Interpolation spatiale ............................................................................................................ 141 5.2.2 Conditions aux limites (fixation du carénage) ...................................................................... 145 5.3 CONCEPTION D’UN CARENAGE D’HYDROLIENNE EN COMPOSITE ............................ 146 5.3.1 Matériaux utilisés dans la modélisation ................................................................................ 147 5.3.2 Modélisation du plan de stratification de la tuyère ............................................................... 148 5.3.3 Détermination de la stratification adéquate ........................................................................... 149 5.3.4 Convergence du maillage ..................................................................................................... 150 5.3.5 Influence de la géométrie ...................................................................................................... 151 5.4 COMPARAISON DES GEOMETRIES DE CARENAGE .......................................................... 152 5.5 ETUDE D’UNE GEOMETRIE OPTIMALE ............................................................................... 157 iv 5.5.1 Paramètres d’optimisation ..................................................................................................... 157 5.5.2 Géométrie optimale de longeron ........................................................................................... 158 5.5.3 Optimisation des épaisseurs .................................................................................................. 167 5.5 CONCLUSION ............................................................................................................................. 172 Bibliographie. …173 CHAPITRE 6 : IMPACT SUR DES STRUCTURES COMPOSITES ...174 6.1 CONTEXTE .................................................................................................................................. 175 6.2 ETAT DE L’ART SUR L’IMPACT ............................................................................................. 176 6.2.1 Les différentes catégories d’impact ....................................................................................... 177 6.2.2 Impact à basse vitesse ........................................................................................................... 178 6.2.3 Impact à grande vitesse ......................................................................................................... 178 6.2.4 Modes d'endommagement d’un composite suite à un impact ............................................... 179 6.3 MODELISATION NUMERIQUE DE L’ENDOMAGEMENT INTRA-LAMINAIRE .............. 180 6.3.1 Description du modèle .......................................................................................................... 181 6.3.2 Application du modèle à un pli composite orthotrope .......................................................... 184 6.3.2.1 Tension/compression dans la direction des fibres ...................................................... 185 6.3.2.2 Tension/compression dans la direction transversale ................................................... 187 6.3.3 Application du modèle à un cas d’impact d’une plaque composite ...................................... 190 6.4 CONFRONTATION ESSAI/CALCUL A UN CAS D’IMPACT MOYENNE/GRANDE VITESSE VITESSE ..................................................................................................................................... 196 6.4.1 Description du modèle .......................................................................................................... 197 6.4.2 Modélisation numérique de l’impact ..................................................................................... 198 6.4.3 Comparaison essai/simulation numérique ............................................................................. 198 6.5 CONFRONTATION ESSAI/CALCUL A UN CAS D’IMPACT FAIBLE VITESSE ................ 206 6.5.1 Description du modèle .......................................................................................................... 206 6.5.2 Modélisation numérique de l’impact ..................................................................................... 207 6.5.3 Influence du critère implémenté ............................................................................................ 209 6.5.4 Comparaison essai endommagent/simulation numérique ..................................................... 213 6.5.4.1 Introduction des interfaces .......................................................................................... 218 6.5.4.2 Influence des paramètres de la loi d’interface ............................................................ 222 6.6 DISCUSSION ............................................................................................................................... 224 6.7 CONCLUSION ............................................................................................................................. 228 Bibliographie. …230 v CHAPITRE 7 : IMPACT SUR UN CARENAGE D’HYDROLIENNE ...234 7.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 235 7.2 IMPACT SUR CARENAGE D’HYDROLIENNE ....................................................................... 235 7.2.1 Description du modèle .......................................................................................................... 236 7.2.2 Modélisation numérique de l’impact sur une tuyère d’hydrolienne ...................................... 237 7.2.3 Effet de l’énergie d’impact .................................................................................................... 245 7.3 MODELISATION DE LA TUYERE COMPLETE ..................................................................... 248 7.3.1 Stratégie de modélisation ...................................................................................................... 248 7.3.1.1 Modèle complet de la tuyère .............................................................................................. 249 7.3.1.1.1 Géométrie et plan de stratification ........................................................................... 249 7.3.1.1.2 Conditions limites et maillage ................................................................................. 249 7.3.1.1.3 Résultats .................................................................................................................. 251 7.3.1.2 Modèle d’impact ................................................................................................................ 251 Réponse à l’impact ................................................................................................................. 252 7.3.1.3 Approche de type submodeling .......................................................................................... 253 Résultats du sous-modèle ....................................................................................................... 256 7.4 CONLUSION ET DISCUSSION.................................................................................................. 258 Bibliographie. …260 CONCLUSION GENERALE. ...261 ANNEXE A.1 . ...266 ANNEXE A.2 . ...270 ANNEXE A.3 . ...279 ANNEXE A.4 . ...283 ANNEXE A.5 . ...285 ANNEXE A.6 . uploads/Litterature/ these-2016-edsm-genie-mecanique-mecanique-des-fluides-ait-mohammed-mahrez 1 .pdf