| Summary: | Due à la complexité des mécanismes typiquement requis pour contraindre l’aile d’une turbine à aile oscillante à suivre des mouvements spécifiques, cette thèse étudie la possibilité de bénéficier de mouvements non contraints, dits passifs. En pratique, cela implique que l’aile est attachée à la structure de la turbine à l’aide de supports élastiques indépendants en pilonnement et en tangage, formés de ressorts et d’amortisseurs. Par conséquent, seul un contrôle indirect des mouvements est possible en ajustant adéquatement les paramètres structuraux affectant la dynamique de l’aile, tels que les paramètres d’inertie, d’amortissement et de raideur de l’aile et de ses supports élastiques. En premier lieu, un prototype ayant des mouvements passifs autant en pilonnement qu’en tangage, et donc étant complètement passif, a été conçu et testé dans un canal à surface libre. Cette première phase du présent travail de recherche a confirmé la faisabilité et le potentiel de ce concept en permettant d’extraire une quantité significative d’énergie de l’écoulement d’eau. Cependant, l’efficacité maximale atteinte est demeurée inférieure à ce qui peut être obtenu en contraignant l’aile à suivre des mouvements précis. Suite à ces expériences, un algorithme résolvant la dynamique du solide a été implémenté et couplé au logiciel résolvant la dynamique du fluide gouverné par les équations de Navier-Stokes. Des simulations numériques ont été réalisées afin d’analyser plus en détail la dynamique de chacun des deux degrés de liberté de l’aile. Plutôt que de poursuivre notre étude du concept complètement passif immédiatement, un concept de turbine semi-passive caractérisée par un mouvement de tangage passif et un mouvement de pilonnement contraint a été considéré. Des efficacités de l’ordre de 45% ont été atteintes, se comparant ainsi aux meilleures performances rapportées dans la littérature concernant les turbines à ailes oscillantes complètement contraintes. En plus de révéler le fort potentiel de ce concept de turbine semi-passive, cette étude nous a permis de nous concentrer sur certains aspects spécifiques concernant la dynamique d’une aile attachée par des ressorts en tangage. Cette analyse plus détaillée de la physique en jeu a été facilitée par le nombre réduit de paramètres structuraux en jeu par rapport à une turbine pour laquelle le mouvement de pilonnement est lui aussi passif. L’une des découvertes importantes est que le centre de masse doit être situé en aval du point de pivot afin de générer un transfert d’énergie du mouvement de pilonnement vers le mouvement de tangage par l’entremise du couplage inertiel entre les deux degrés de liberté. Ce transfert d’énergie est crucial puisque les mouvements de tangage optimaux nécessitent de l’énergie en moyenne pour être soutenus. De plus, un paramètre combinant les effets liés au moment d’inertie de l’aile par rapport à son point de pivot et à la raideur en tangage a été proposé. Ce paramètre permet de bien caractériser la dynamique du mouvement de tangage passif de la turbine semi-passive. Il permet aussi de déterminer la raideur requise pour différentes valeurs du moment d’inertie afin de maintenir une performance optimale de la turbine. Utilisant les connaissances acquises concernant la dynamique des mouvements de tangage passifs, le concept de turbine à aile oscillante complètement passive a été revisité. Les meilleures efficacités obtenues avec la turbine semi-passive ont été égalées et ont même été surpassées puisque qu’une efficacité de 53.8% a été atteinte. Les résultats ont aussi démontré qu’une performance optimale pouvait être maintenue sur de larges plages de valeurs en ce qui concerne la masse en pilonnement ainsi que le moment d’inertie par rapport au point de pivot, pourvu que les raideurs en pilonnement et en tangage soient ajustées correctement. === Due to the complexity of the mechanisms typically required when designing a flapping-foil turbine to prescribe specific heave and pitch motions, this thesis investigates the possibility of benefiting from unconstrained motions. In practice, this means that the foil is attached to the turbine structure with independent elastic supports in heave and in pitch, which consist in springs and dampers. Consequently, only an indirect control over the foil motions is possible through an adequate adjustment of the structural parameters affecting the foil dynamics, namely the inertial, damping and stiffness characteristics of the elastically-supported foil. Such motions are referred to as passive motions. As a first step, a turbine prototype with passive heave and pitch motions, thus being fully-passive, has been designed and tested in a water channel. This first phase of the present research work has confirmed the feasibility and the potential of this concept to extract a significant amount of energy from a fluid flow. However, the maximum efficiency that has been obtained is smaller than what can be achieved when prescribing specific foil motions. Following these experiments, a solid solver has been implemented and coupled with a Navier-Stokes fluid solver. Numerical simulations have been carried out to analyze the dynamics of both degrees of freedom in more details. Instead of immediately pursuing our study of the fully-passive flappingfoil turbine, a semi-passive concept, with a passive pitch motion and a prescribed heave motion, has been considered. Efficiencies of the order of 45% have been achieved, hence competing with the best performance reported in the literature for flapping-foil turbines with prescribed motions. In addition to revealing the great potential of this semi-passive turbine concept, this study has allowed us to focus on some specific aspects of the dynamics of passive pitch motions. This more detailed analysis of the physics at play has been facilitated by the reduced number of structural parameters affecting the foil dynamics compared to a turbine for which the foil is also elastically-supported in heave. One of the main findings is that the center of mass must be positioned downstream of the pitch axis in order to generate a net transfer of energy from the heave motion to the pitch motion via the inertial coupling between the two degrees of freedom. This energy transfer is crucial because optimal pitch motions require energy on average to be sustained. Moreover, a parameter combining the effects of the moment of inertia of the foil about the pitch axis and the pitch stiffness has been proposed. This parameter effectively characterizes the pitch dynamics of the semi-passive turbine. It also allows properly scaling the pitch stiffness when different moments of inertia are considered with the objective of maintaining an optimal turbine performance. Having improved our knowledge about the dynamics of passive pitch motions, the fully-passive flapping-foil turbine concept has been revisited. The best efficiencies obtained with the semi-passive concept have been matched, and even exceeded since an efficiency of 53.8% has been reached. The results have also demonstrated that an optimal performance can be maintained over large ranges of values regarding the heaving mass and the moment of inertia when the heave and pitch stiffness coefficients are adjusted adequately.
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