Étude expérimentale de l'hydrodynamique d'une aile oscillante

193 Pages·2011·10.5 MB·French

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JEROME DESCHAMP
´
Etude exp´erimentale de l’hydrodynamique d’une
aile oscillante
M´emoire pr´esent´e
`a la Facult´e des ´etudes sup´erieures de l’Universit´e Laval
dans le cadre du programme de maˆıtrise en m´ecanique
pour l’obtention du grade de Maˆıtre `es sciences (M.Sc.)
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FACULTE DES SCIENCES ET DE GENIE
´
UNIVERSITE LAVAL
´
QUEBEC
2009
©J´erˆome Deschamp, 2009
R´esum´e
Cette maˆıtrise s’inscrit dans la continuit´e d’un projet multidisciplinaire de grande
envergure se d´eroulant `a l’Universit´e LAVAL, qui a pour but d’analyser les diff´erentes
caract´eristiques et d’´etudier la faisabilit´e d’une nouvelle technologie de production
d’´energie : l’hydrog´en´erateur `a ailes oscillantes.
On s’int´eresse ici `a l’´etude exp´erimentale des forces hydrodynamiques cr´e´ees par un
´ecoulement d’eau autour de ces ailes. M. Jean-Frederick Faure ayant d´etermin´e dans
un pr´ec´edent m´emoire les diff´erentes technologies permettant la mesure de ces forces,
ce m´emoire pr´esente essentiellement les travaux concernant l’am´elioration du montage
(installation et ´etalonnage des nouveaux instruments de mesure) et les r´esultats et
analyses d´ecoulant des diff´erents essais r´ealis´es.
Des efficacit´es ´energ´etiques sup´erieures `a 30% ont pu ˆetre trouv´ees et compar´ees
favorablementaveclesvaleursdesimulationsnum´eriqueseffectu´ees`al’Universit´eLaval.
Une campagne d’essai a en outre permis d’´evaluer l’influence des diff´erents param`etres
du mouvement (fr´equence de cycle, amplitudes de pilonnement et de tangage) sur cette
efficacit´e.
Abstract
This thesis is part of a major and multi-field project taking place at LAVAL Uni-
versity, Qu´ebec, which aims at determining the different specifications and studiying
the feasibility of a new energy production technology : the oscillating wings hydroge-
nerator. First introduced by McKinney and DeLaurier in 1981, this concept enables to
draw energy from a fluid by combining heaving and pitching motion of an oscillating
wing.
We are more interested here in the experimental study of the hydrodynamic forces
that the oscillating wing undergoes when confronted with a constant current of water
passing into the hydraulic channel of the laboratory. As the different technologies had
already been approved during the previous thesis of Jean-Frederik Faure, this thesis
mainly presents the improvements of the apparatus, as well as the experimental results
obtained thanks to those improvements.
Efficiencies as high as 30% have been found and compared favourably to values from
LAVAL University’s LMFN homemade 2-D numerical simulations. Further tests have
also permitted to evaluate the influence of motion parameters (cycle frequency, heaving
and pitching amplitudes) on this efficiency.
Avant-propos
Je tiens tout d’abord `a remercier les deux professeurs responsables de mon encadre-
ment pour cette maˆıtrise, Messieurs Jean Lemay et Guy Dumas, dont les connaissances
et l’envie d’apprendre m’ont ´et´e extrˆemement b´en´efiques durant toute la dur´ee de ma
maˆıtrise. Grˆace `a eux, j’ai pu comprendre les diff´erents enjeux d’un projet multidiscipli-
naire impliquant plusieurs laboratoires de l’Universit´e ainsi que de nombreux´etudiants,
avec qui j’ai ´egalement pris grand plaisir `a travailler durant ces deux ann´ees.
Je remercie ´egalement les autres professeurs et techniciens avec lesquels j’ai eu la
chance de travailler durant cette maˆıtrise (Yves Jean, Jean Ruel, Yvan Maciel...), qui
m’ont chacun apport´e leur exp´erience et leurs conseils, afin que cette maˆıtrise se d´eroule
dans les meilleures conditions d’apprentissage possibles. Des remerciements sp´eciaux
vont en outre `a l’´egard de Claire Deschˆenes du laboratoire de machines hydrauliques
(LAMH), qui a eu la gentillesse de nous prˆeter le canal hydraulique pour nos essais.
Je tiens enfin `a remercier mes colocataires, amis et coll`egues de laboratoire, avec
qui les discussions et d´ebats n’ont fait que m’aider dans l’avancement de mon projet et
m’ont permis d’oublier un tant soit peu la rudeur de l’hiver qu´ebecois.
`
A ma famille, mes amis, mes proches et toutes les
personnes qui m’ont soutenu et qui ont su croire en
moi...
Table des mati`eres
R´esum´e ii
Abstract iii
Avant-Propos iv
Table des mati`eres viii
Liste des symboles xvi
Liste des tableaux xviii
Liste des figures xxv
1 Introduction 1
1.1 Concept d’hydrog´en´erateur `a ailes oscillantes . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Revue de litt´erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Travaux en mode propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Travaux en mode extraction d’´energie . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Projets ayant abouti `a un prototype produisant de l’´energie . . 7
1.3.4 Projet en cours `a l’Universit´e LAVAL . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.5 Th´eorie quasi-stationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Pr´esentation du mouvement et param´etrage de l’aile . . . . . . . . . . . 14
2 Description du montage MAO 18
2.1 Pr´esentation g´en´erale du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Canal hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Chaˆıne cin´ematique et structure m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Syst`eme de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Capteurs de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Poutrelles instrument´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7 Acquisition des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8 Traitement des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
vii
3 Am´eliorations apport´ees au montage MAO 27
3.1 Nouveau syst`eme de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Nouveaux capteurs de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Nouvelles poutrelles instrument´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 E´talonnage des instruments 35
´
4.1 Etalonnage des r`egles magn´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
´
4.2 Etalonnage des anciennes poutrelles instrument´ees . . . . . . . . . . . . 36
´
4.3 Etalonnage des nouvelles poutrelles instrument´ees . . . . . . . . . . . . 40
4.3.1 Pr´esentation de l’´etalonnage des nouvelles poutrelles instrument´ees 40
4.3.2 Mesures effectu´ees pour ´etalonner les nouvelles poutrelles instru-
ment´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3 D´etermination des fonctions d’interpolation et calcul des coeffi-
cients d’´etalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.4 Erreurs engendr´ees par les polynˆomes d’´etalonnage et tests sur
les autres cadrans d’angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.5 Influence du moment de flexion sur les nouvelles poutrelles . . . 55
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4.3.6 Etalonnage dans l’air statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5 Acquisition et traitement des donn´ees 61
5.1 Acquisition de donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Traitement des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.1 Pr´esentation g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.2 Traitement initial des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.3 Transformation des tensions en grandeurs physiques . . . . . . . 69
6 R´esultats 79
6.1 Pr´esentation des diff´erents essais r´ealis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Essai dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Comparaison entre les mesures des deux poutrelles pour un essai dans
l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4 R´ep´etabilit´e des essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.5 Influence du confinement du canal hydraulique sur les mesures . . . . . 84
6.6 Comparaison entre les mesures MAO et les simulations num´eriques 2-D
de Thomas Kinsey (LMFN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.1 Essais dans l’eau en mouvement combin´e de pilonnement et de
tangage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.2 Essais dans l’eau en mouvement de pilonnement seul . . . . . . 103
6.6.3 Essais dans l’eau en mouvement de tangage seul . . . . . . . . . 113
6.7 Influence de la fr´equence du cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.8 Influence de l’amplitude de tangage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
viii
6.8.1 Influence de l’amplitude de tangage dans un cas de mouvement
de tangage seul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.8.2 Influence de l’amplitude de tangage dans un cas de mouvement
combin´e de pilonnement et de tangage . . . . . . . . . . . . . . 126
6.8.3 Conclusion sur l’influence de l’amplitude de tangage . . . . . . . 132
6.9 Influence de l’amplitude de pilonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.10 Essais de polaires hydrodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7 Conclusion 148
Bibliographie 151
A Mesures de vitesse dans le canal 154
B Pose des jauges de d´eformation 159
C Plans des pi`eces utilis´ees 161
D Exemple de traitement de signal 167
Liste des symboles
Param`etres g´eom´etriques de l’aile :
Symbole D´efinition Unit´es
AR Allongement de l’aile S.U.
b Envergure de l’aile m
c Longueur de la corde de l’aile m
d D´eplacement vertical maximal du bout de l’aile m
r bras de levier de la force de flottaison par rapport au m
CB
pivot de l’aile
V Volume de l’ensemble aile + poutrelle + plaques de m3
aile
bouts d’ailes
Param`etres massiques de l’aile :
J Inertie de l’aile au niveau du pivot de celle-ci kg.m2
aile
J Inertiedel’aileauniveauducentredegravit´edel’aile kg.m2
CG
r bras de levier par rapport au pivot de l’aile du poids m
CG
m Masse de l’aile et des plaques de bouts d’ailes kg
aile
Grandeurs li´ees au canal hydraulique et `a l’´ecoulement :
κ Angle de chute de l’´ecoulement °
H Hauteur du canal hydraulique m
l Largeur du canal hydraulique m
L Longueur du canal hydraulique m
R Nombre de Reynolds de l’´ecoulement S.U.
e
U∞ Vitesse moyenne de l’´ecoulement dans le canal m/s
Param`etres li´es au mouvement des ailes oscillantes :
f Fr´equence du cycle de mouvement Hz
∗
f Fr´equence adimensionnelle du cycle de mouvement S.U.
H Amplitude de pilonnement m
0
x
Symbole D´efinition Unit´es
H /c Amplitude de pilonnement non dimensionelle S.U.
0
h Position en pilonnement au cours du cycle mesur´ee m
RP
par la r`egle de pilonnement
h(t) Position de pilonnement th´eorique au cours du cycle m
V Vitesse de pilonnement au cours du cycle calcul´ee `a m/s
yRP
partir de la mesure de position en pilonnement de la
r`egle de pilonnement
V (t) Vitesse de pilonnement th´eorique au cours du cycle m/s
y
A Acc´el´eration de pilonnement au cours du cycle cal- m/s2
yRP
cul´ee`apartirdelamesuredepositionenpilonnement
de la r`egle de pilonnement
A (t) Acc´el´eration de pilonnement th´eorique au cours du rad/s2
y
cycle
θ Amplitude de tangage °
0
θ Position angulaire de tangage au cours du cycle me- °
RT
sur´ee par la r`egle de tangage
θ(t) Position angulaire de tangage th´eorique au cours du °
cycle
˙
θ Vitesse angulaire de tangage au cours du cycle cal- rad/s
RT
cul´ee `a partir de la mesure de position angulaire de
la r`egle de tangage
˙
θ(t) Vitesse angulaire th´eorique de tangage au cours du rad/s
cycle
θ¨ Acc´el´eration angulaire de tangage au cours du cycle rad/s2
RT
calcul´ee `a partir de la mesure de position angulaire
de la r`egle de tangage
θ¨(t) Acc´el´eration angulaire th´eorique de tangage au cours rad/s2
du cycle
φ D´ephasage entre le pilonnement et le tangage °
α(t) Angle d’attaque effectif de l’aile au cours du cycle °
V (t) Vitesse effective de l’aile au cours du cycle m/s
eff
α Angle d’attaque effectif maximal de l’aile au cours du °
max
cycle
V Vitesse effective maximale de l’aile au cours du cycle m/s
max
χ Param`etre de “feathering” S.U.