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HAL Id: tel-01424843 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01424843 Submitted on 10 Jan 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Hydroliennes à flux transverse : développement d’un prototype HARVEST en canal Thomas Jaquier To cite this version: Thomas Jaquier. Hydroliennes à flux transverse : développement d’un prototype HARVEST en canal. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Grenoble, 2011. Français. NNT : 2011GRENI059. tel-01424843 THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : Mécanique des fluides, Procédés, Energétique Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Thomas JAQUIER Thèse dirigée par Jean-Luc ACHARD préparée au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels dans l'École Doctorale I-MEP2 Hydroliennes à flux transverse : Développement d’un prototype HARVEST en canal Thèse soutenue publiquement le 13 décembre 2011, devant le jury composé de : M., Christophe, CORRE Professeur des Universités, G-INP de Grenoble, Président du jury M., François, LUSSEYRAN Chargé de Recherche CNRS, LIMSI à Orsay, Rapporteur M., Guy, CAIGNAERT, Professeur des Universités, ENSAM de Lille, Rapporteur Mme, Sanda-Carmen, GEORGESCU Maître de conférences, UPB à Bucarest (Roumanie), Examinateur M., Jean-François, DHEDIN Chef de projet, EDF R&D à Châtou, Membre du jury M., Jean-Luc, ACHARD Directeur de Recherche CNRS, LEGI à Grenoble, Membre du jury 3 Remerciements La présente thèse a été financée et encadrée par EDF R&D, sous la responsabilité de Jean- François Dhédin, et réalisée au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels de Grenoble (LEGI), sous la direction scientifique de Jean-Luc Achard. Une partie du travail a également été réalisée au Centre d’Ingénierie Hydraulique EDF du Bourget du Lac, sous la direction de Laurent Terme et de Philippe Gauvin. Tout d’abord, j’exprime mes plus sincères remerciements à mon directeur de thèse, Jean-Luc Achard, pour m’avoir accompagné durant ces trois années et m’avoir fait profiter de ses compétences scientifiques et de ses qualités humaines. Il est l’inventeur du concept HARVEST, le responsable du programme de recherche associé, et bientôt le conseiller scientifique de la société Hydroquest qui va industrialiser le concept ! Au-delà du travail scientifique, nous avons vécu ensemble une très belle aventure humaine qui fut très agréable à partager. J’adresse toute ma gratitude aux membres du jury pour avoir accepté de passer du temps sur la lecture de mon mémoire et d’avoir fait des remarques constructives. Leur travail d’expertise a contribué à l’amélioration du manuscrit final. Je remercie vivement EDF d’avoir financé cette thèse CIFRE ainsi que les moyens expérimentaux associés. Mon responsable scientifique d’EDF R&D, Jean-François Dhédin, a été très présent tout au long de ma thèse et m’a beaucoup appris sur la gestion de projets, le management et les relations recherche – industrie. Je le remercie pour son aide et la confiance qu’il m’a accordée. Je remercie également son prédécesseur, Cyrille Abonnel, pour avoir été l’initiateur de l’industrialisation du projet HARVEST côté EDF et pour m’avoir recruté pour réaliser cette thèse. Je désire également remercier les collègues du Centre d’Ingénierie Hydraulique EDF du Bourget du Lac : Laurent Terme, Nicolas Gérard, Jean-Jacques Hérou, Véronique Jantet et Philippe Gauvin. Je remercie en particulier Philippe pour son soutien et sa collaboration. Ses idées et son expérience industrielle m’ont permis d’avancer dans la bonne direction. Les objectifs de cette thèse n’auraient pas pu être atteints sans son aide. Je remercie profondément Jeronimo Zanette pour la qualité de la collaboration que nous avons eue durant cette thèse. Il m’a beaucoup appris sur le calcul numérique, hydraulique et mécanique, et a largement contribué à la réussite des expérimentations réalisées sur le prototype. Ce fut un plaisir de travailler à ses côtés. Mes remerciements vont également à tous les collègues du projet HARVEST pour la qualité de leur collaboration et leurs qualités humaines : Alexandre Thellier, Matthieu Hauck, Nicolas Dellinger, Sylvain Antheaume, Ervin Amet, Ané Mentxaka, Vivien Aumelas, Jonathan Bossard, Thierry Maitre, Christian Pellone, Jean-Pierre Franc et Michel Riondet. Enfin, pour terminer, je souhaite dédier ma thèse à mon défunt grand-père, opa Fritz. Il m’a toujours soutenu dans les études et aurait été heureux de me voir devenir docteur. 5 Table des matières Table des matières .................................................................................................. 5 Introduction .......................................................................................................... 11 1. Les hydroliennes fluviales ............................................................................... 17 1.1 Quelques définitions .................................................................................................... 17 1.1.1 Principe de fonctionnement des hydroliennes ............................................................. 17 1.1.1.1 Transformation de l’énergie cinétique ................................................................................... 17 1.1.1.2 Des turbines fonctionnant dans l’eau..................................................................................... 19 1.1.1.3 Des turbines fonctionnant sans génie civil ............................................................................. 21 1.1.2 Puissance exploitable, contournement et surface libre ................................................ 21 1.2 Les cours d’eau visés pour l’installation des hydroliennes fluviales ................................ 23 1.2.1 Définition des « Eaux Intérieures » ............................................................................... 23 1.2.2 Les canaux hydrauliques ................................................................................................ 24 1.2.3 Les fleuves et rivières .................................................................................................... 25 1.2.4 Les estuaires .................................................................................................................. 27 1.2.5 Synthèse comparative ................................................................................................... 28 1.3 Impact des hydroliennes .............................................................................................. 29 1.3.1 Perte de charge engendrée par une hydrolienne sur la ligne d’eau ............................. 29 1.3.2 Impact sur la faune ........................................................................................................ 31 1.3.3 Impact sur la navigation ................................................................................................ 31 1.4 Les technologies d’hydroliennes fluviales ...................................................................... 32 1.4.1 Les hydroliennes à flux axial .......................................................................................... 33 1.4.1.1 Verdant Power (USA) .............................................................................................................. 33 1.4.1.2 Free Flow Power (USA) ........................................................................................................... 34 1.4.1.3 RER (Canada) .......................................................................................................................... 35 1.4.1.4 Tocardo (Pays-Bas) ................................................................................................................. 35 1.4.2 Les hydroliennes à flux transverse ................................................................................ 36 1.4.2.1 New Energy Corporation (Canada) ......................................................................................... 36 1.4.2.2 Water Power Industries (Norvège) ......................................................................................... 36 1.4.2.3 Instream Energy (Canada) ...................................................................................................... 36 1.4.2.4 Ocean Renewable Power Company (USA) ............................................................................. 37 1.4.3 Les hydroliennes mues par les forces de trainée .......................................................... 38 1.4.3.1 La roue à aube Hydro-Gen de la société Aquaphile (France) ................................................. 38 1.4.3.2 La turbine d’Ecocinetic ........................................................................................................... 38 2. Le convertisseur HARVEST .............................................................................. 39 2.1 La turbine du convertisseur HARVEST ........................................................................... 39 2.1.1 Quelques prédécesseurs ............................................................................................... 39 2.1.1.1 La turbine Darrieus ................................................................................................................. 39 2.1.1.2 La turbine Gorlov .................................................................................................................... 42 2.1.2 Les caractéristiques de la turbine ACHARD ................................................................... 44 2.2 La tour HARVEST .......................................................................................................... 47 Table des matières 6 2.2.1 Architecture de la tour HARVEST .................................................................................. 47 2.2.2 Avantages de la tour HARVEST ...................................................................................... 48 2.2.2.1 Performances ......................................................................................................................... 48 2.2.2.2 Annulation des efforts transverses et qualité du sillage ........................................................ 49 2.2.2.3 Modularité du système .......................................................................................................... 49 2.2.2.4 Facilité d’intégration de la génératrice électrique ................................................................. 50 2.2.2.5 Occupation optimale de la section d’exploitation du flux ...................................................... 51 2.3 Systèmes de fixation .................................................................................................... 52 2.3.1 Hydrolienne fixée à un pieu .......................................................................................... 54 2.3.2 Hydrolienne posée au fond avec une fondation gravitaire ........................................... 55 2.3.3 Hydrolienne fixée à un radier ancré .............................................................................. 55 2.3.4 Hydrolienne fixée par le haut depuis une barge flottante ............................................ 56 3. Conception de la turbine ACHARD .................................................................. 61 3.1 Paramètres descriptifs des turbines à flux transverse .................................................... 61 3.1.1 Les repères utilisés ........................................................................................................ 62 3.1.2 Définition des paramètres géométriques ..................................................................... 64 3.1.2.1 Allure générale et dimensions globales .................................................................................. 64 3.1.2.2 Solidité S ................................................................................................................................. 65 3.1.2.3 Angle d’enroulement γ ou flèche ........................................................................................... 65 3.1.2.4 Rapport d’effilement Λ ........................................................................................................... 65 3.1.2.5 Profil des pales et mode de projection sur le cercle de rotation ........................................... 66 3.1.2.6 Eléments de liaison pale-arbre ............................................................................................... 67 3.1.2.7 Génération automatique de pales de turbines ...................................................................... 67 3.1.3 Définition des paramètres hydrodynamiques ............................................................... 68 3.1.3.1 Nombre de Reynolds .............................................................................................................. 68 3.1.3.2 Paramètre d’avance ou vitesse spécifique  .......................................................................... 69 3.1.3.3 Angle d’incidence ou angle d’attaque .................................................................................... 69 3.1.3.4 Coefficients de force, couple et puissance ............................................................................. 71 3.1.3.5 Intensité turbulente ............................................................................................................... 73 3.1.3.6 Nombre de cavitation ............................................................................................................. 73 3.1.4 Décrochage dynamique ................................................................................................. 74 3.1.4.1 Le cas des profils oscillants ..................................................................................................... 74 3.1.4.2 Le cas des turbines à flux transverse ...................................................................................... 76 3.1.5 Paramètres et performances ......................................................................................... 79 3.2 Optimisation des efforts réguliers ................................................................................ 80 3.2.1 Profil de pale .................................................................................................................. 80 3.2.2 Flèche ............................................................................................................................ 81 3.2.3 Optimisation de la solidité............................................................................................. 84 3.3 Diminution de la trainée d’interférence du raccordement bras-pale .............................. 86 3.4 Diminution des tourbillons de bout d’aile ..................................................................... 88 3.4.1 Les anneaux ................................................................................................................... 88 3.4.2 Confinement axial .......................................................................................................... 89 3.4.3 Les winglets ................................................................................................................... 90 3.5 Amélioration de l’auto-démarrage et de l’uniformisation du couple moteur .................. 93 4. Caractérisation expérimentale de la turbine du convertisseur HARVEST ......... 99 4.1 Etudes expérimentales de turbines à flux transverse disponibles dans la littérature ....... 99 Table des matières 7 4.2 Présentation des moyens d’essais du LEGI ................................................................... 105 4.2.1 Circuit hydraulique et tunnel hydrodynamique du LEGI ............................................. 105 4.2.2 Dispositif expérimental de mesure : balance d’efforts à six composantes ................. 106 4.2.3 Principes de mesure .................................................................................................... 107 4.2.3.1 Génératrice électrique .......................................................................................................... 107 4.2.3.2 Capteurs piézoélectriques .................................................................................................... 109 4.3 Résultats expérimentaux ............................................................................................ 110 4.3.1 Maquette Achard à pales droites ................................................................................ 111 4.3.2 Maquette Achard à pales en V .................................................................................... 111 4.3.3 Maquette Achard avec trainée d’interférence réduite ............................................... 112 4.3.4 Maquette Achard avec traînée de bout d’aile réduite ................................................ 113 4.3.5 Bilan des essais ............................................................................................................ 113 5. uploads/Science et Technologie/ jaquier-thomas-2011-archivage.pdf