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Jeudi 25 mars 2021, soutenance de thèse de Matthieu GUILBOT - 14h00, Salle G128, LEGI, site Bergès

Analyse et optimisation des performances de turbines à axe vertical et flux transverse par simulations numériques

Cette thèse a été dirigée par G. Balarac et co-dirigée par S. Barre & C. Bonamy. Elle est le fruit d’une collaboration entre le LEGI et l’entreprise HydroQuest (CIFRE). Le référent industriel était N. Guillaud.

Résumé :
Cette thèse s’articule autour de l’analyse et l’optimisation des performances d’une turbine à axe vertical et flux transverse (VAT) par voie numérique. Le caractère fortement instationnaire et turbulent des écoulements au sein d’une VAT rend leur modélisation complexe. Ainsi, plusieurs approches numériques, avec des modélisations de la turbulence distinctes, ont été mises en œuvre afin d’évaluer les performances d’une VAT. Des simulations statistiques de type URANS sous OpenFoam ainsi que des Simulations des Grandes Échelles (SGE) avec le code YALES2 ont été réalisées. Deux voies de recherche portant sur l’amélioration du design de configurations de VAT ont alors été investiguées. Dans un premier temps, une configuration mono-rotor a été optimisée à l’aide de SGE en étudiant deux géométries de rotors spécifiques : un rotor « classique » de type H-Darrieus et un rotor « innovant ». Cette étude a permis de mieux comprendre la dynamique globale de l’écoulement au sein d’une VAT en fonction du régime d’écoulement considéré. A l’aide d’une analyse locale des pertes, l’écart de performances entre ces deux rotors a pu être quantifié. Un bon accord avec les observations expérimentales a été trouvé avec notamment un gain du rotor « innovant » d’environ +30 % sur le coefficient de puissance (Cp). Dans un second temps, plusieurs configurations bi-rotor constituées chacune de deux rotors contra-rotatifs ont été optimisées via des simulations URANS. Différents paramètres géométriques (distance inter-axes, sens de contra-rotation, mât central) ont été testés afin de maximiser la puissance totale extraite par la machine. Un effet de « synergie » a été observé en configuration bi-rotor conduisant à des gains de Cp de l’ordre de +10 % par rapport à une VAT mono-rotor. Une analyse fine de l’écoulement a permis notamment de lier le sens de rotation optimum à la solidité des turbines. Ce travail, mené en collaboration avec l’entreprise HydroQuest, a donc conduit à une optimisation locale des performances, en modifiant directement le design d’un rotor, et une amélioration plus globale sur des configurations double-rotor tendant vers l’optimisation d’un parc éolien/hydrolien.

Membres du jury :
- Mme. Sandrine AUBRUN, Professeure des Universités, École Centrale de Nantes, Examinatrice
- M. Christophe CORRE, Professeur des Universités, École Centrale de Lyon, Examinateur
- M. Éric GONCALVES, Professeur des Universités, ISAE-ENSMA, Rapporteur
- M. Dominique THEVENIN, Professeur des Universités, Université de Magdebourg, Rapporteur
- M. Guillaume BALARAC, Maître de Conférences, Grenoble INP, Directeur de thèse
- M. Stéphane BARRE, Chargé de Recherche, CNRS, Codirecteur de thèse
- M. Cyrille BONAMY, Ingénieur de Recherche, CNRS, Membre invité
- M. Nathanaël GUILLAUD, Ingénieur R&D, HydroQuest, Membre invité