L’optimisation exp´erimentale r´ealis´ee dans la section pr´ec´edente a permis d’identifier une configuration optimale avec des performances ´energ´etiques assez satisfaisantes en comparaison avec les r´esultats disponibles dans la litt´erature pour un tel syst`eme hydrolien.
En mˆeme temps, les exp´erimentations conduites ont r´ev´el´e quelques aspects qui pourrait potentiellement ˆetre am´elior´es par rapport au design du dispositif. Ces constatations ont motiv´e l’apport de quelques modifications prototype avant de proc´eder `a la recherche des valeurs optimales de la raideur de tangagekθ∗ et de l’amortissement visqueux de tangagec∗θ. 5.2.1 Motivations
Les principales motivations pour l’am´elioration du design de l’aile oscillante passive seront d´etaill´ees dans les paragraphes suivants, `a savoir l’augmentation de la position maximale de pilonnement admissible, la r´eduction des interactions avec la surface libre et la r´eduction des effets de bord.
5.2.1.1 Augmentation de l’amplitude admissible de pilonnement
Comme constat´e lors de l’´etude d’optimisation dans le plan ky∗ ×c∗y, l’amplitude de pilonnement tend `a augmenter dans les configurations optimales du syst`eme. Dans certains cas, notamment pour des faibles valeurs de k∗y et c∗y, le mouvement de pilonnement de l’aile a ´et´e restreint aux limitations du syst`eme de transmission `a poulies-courroie. En effet, dans le design initial du dispositif la position de pilonnement est born´ee `a y∗ <1.25. Afin d’augmenter cette position maximale admissible de pilonnement, une premi`ere solution serait l’adaptation du syst`eme de transmission par le remplacement de la courroie. En revanche, un mouvement de pilonnement plus ´etendu `a l’int´erieur du canal entrainerait une r´eduction dans le rapport de blocage, amplifiant ainsi les effets de confinement.
Une solution alternative `a l’augmentation de l’amplitude admissible de pilonnement a ´et´e retenue : la r´eduction de la cordecdu profil hydrodynamique. La nouvelle cordec′ de l’aile a ´et´e choisie pour que la position maximale de pilonnement sous forme adimensionnelle augmente de 25 %. Il en r´esulte :
c′ = 0.8c= 0.096 m (5.3)
La r´eduction de la corde de l’aile exige une augmentation de la vitesse U∞ dans les mˆemes proportions afin d’assurer la similitude du r´egime de l’´ecoulement autour de l’aile oscillante et conserver le nombre de Reynolds `a Rec= 6×104. Cela est accompli par une augmentation de 66 % du d´ebit de la pompe P2, soitQ′2= 0.0940 m3s−1. Il en d´ecoule que la nouvelle vitesse de l’´ecoulement libre (estim´ee par la vitesse d´ebitante) vaut :
U∞′ = 1.25U∞= 0.625 m s−1 (5.4)
5.2.1.2 R´eduction des interactions avec la surface libre
Une deuxi`eme constatation qui a motiv´e l’am´elioration du design initial du prototype concerne les fortes interactions observ´ees entre l’aile et la surface libre de l’´ecoulement. En
aval de l’aile, on a pu constater un ressaut. Cela s’est traduit par une forte r´eduction locale de la hauteur d’eau et une acc´el´eration des lignes de courant proches de la surface libre. Ce ph´enom`ene, accompagn´e de la g´en´eration des tourbillons li´es au d´ecrochage dynamique du profil, induit une forte aspiration d’air par l’´ecoulement. Cette structure tourbillonnaire de dimensions non n´egligeables, comme on peut le voir sur la figure 5.9, est g´en´er´ee `a partir de la surface libre `a une fr´equence deux fois sup´erieure `a celle d’oscillation de l’aile. L’effet de ces interactions sur la r´ecup´eration d’´energie par le syst`eme hydrolien n’est pas d´etermin´e.
La seule constatation est que l’´ecoulement est localement tridimensionnel et diphasique.
2 3b
2c
ˆ
x yˆ
ˆ z
Figure5.9 – Aspiration d’air `a partir de la surface libre par les tourbillons g´en´er´es en aval de l’aile oscillante passive dans le design initial du prototype.
En vue de r´eduire ces effets secondaires induits dans l’´ecoulement par les interactions de l’aile avec la surface libre, une am´elioration dans le design du prototype a ´et´e consid´er´ee, inspir´ee des travaux de Boudreau et al.(2018). Cela a consist´e en une aile compl`etement immerg´ee d’envergure inf´erieure `a la hauteur d’eau. Dans ce nouveau concept, seulement les deux tirants cylindriques mont´es `a l’int´erieur de l’aile interagissent avec la surface libre de l’´ecoulement, comme illustr´e dans la figure 5.10.
Grˆace `a la r´eduction de la corde du profil (cf. ´equation 5.3), l’envergureb′ de l’aile dans ce nouveau concept a pu ˆetre fix´ee de mani`ere `a garantir un rapport d’aspect de RA = 4.5, tout en gardant une distance de 0.5c′ entre l’extr´emit´e sup´erieure de l’aile et la surface libre. Il en r´esulte :
b′ = 4.5c′ = 0.432 m (5.5)
5.2.1.3 R´eduction des effets de bord
Il est notoire que des effets de bord se produisent aux extr´emit´es de l’aile `a cause de la limitation de son envergure. Il s’agit des tourbillons marginaux qui ont un effet n´efaste sur l’a´erodynamique de l’aile. Dans le cas du syst`eme hydrolien `a aile oscillante, Kinsey
U∞
ˆ
y xˆ
ˆ z
×
Ancien design Nouveau design
0.5c′
4.5c′
Figure5.10 – Am´elioration du design de l’aile visant `a r´eduire les interactions entre l’aile et la surface libre de l’´ecoulement.
et Dumas (2012b) ont montr´e que ces effets sont d´efavorables `a la r´ecup´eration d’´energie.
D’apr`es leur ´etude num´erique, une aile oscillante de rapport d’aspect RA = 5 a des performances ´energ´etiques 28 % inf´erieures `a celles d’un profil 2D o`u les effets de bord ne peuvent ˆetre pris en compte. De plus, ils ont montr´e que cette d´egradation peut ˆetre r´eduite `a 18 % par l’ajout de winglets3 empˆechant la formation des tourbillons marginaux aux extr´emit´es de l’aile.
Inspir´e de ces r´esultats, le nouveau design du prototype a ´et´e ´equip´e de winglets aux deux extr´emit´es de l’aile afin de r´eduire les effets de bord, comme illustr´e dans la figure 5.11. Chaque winglet consiste en une plaque en tˆole d’´epaisseur 1 mm, mont´ee sur l’aile perpendiculairement `a l’axe de tangage. Les contours des ailettes suivent la forme du profil hydrodynamique, distant de 0.3c′ de celui au niveau du bord d’attaque et de 0.5c′ au niveau du bord de fuite.
0.3c′ 0.5c′
0.4c′
Figure5.11 – Dimensions des winglets rajout´ees au prototype afin de r´eduire les effets de bord sur l’aile.
3. Terme anglais d´esignant une ailette sensiblement verticale situ´ee au bout des ailes d’avion, visant `a augmenter ses performances a´erodynamiques.
5.2.2 Nouveau design de l’aile oscillante
La concr´etisation des objectifs d’am´elioration du dispositif a abouti `a un nouveau design de l’aile oscillante, pr´esent´e dans la figure 5.12. Les modifications apport´ees au prototype ont
´et´e la r´eduction de la corde du profil hydrodynamique, l’immersion compl`ete de l’aile dans l’´ecoulement et l’ajout de winglets aux extr´emit´es. En cons´equence, la position maximale admissible de pilonnement a ´et´e repouss´ee `a y∗<1.56, les interactions du syst`eme avec la surface libre ont ´et´e minimis´ees et les effets de bord att´enu´es.
ˆ x
ˆ y
ˆ z
Figure5.12 – Photos du nouveau design de l’aile du dispositif exp´erimental.
Outre la corde du profil, la vitesse de l’´ecoulement libre et l’envergure de l’aile, dont les nouvelles valeurs sont exprim´ees respectivement par les ´equations 5.3, 5.4 et 5.5, certains param`etres structuraux du dispositif ont ´et´e ´egalement affect´es. Il s’agit notamment des propri´et´es inertielles du syst`eme, comme la masse de pilonnement my2, le moment de tangage ˜Iθ et le centre de gravit´e CG2. Ces nouveaux param`etres structuraux ont ´et´e caract´eris´es suivant les mˆemes proc´edures, d´ecrites dans le chapitre 3. Les valeurs sont pr´esent´es dans le tableau 5.6.
Table5.6 – Valeurs des param`etres structuraux affect´es par les modifications apport´ees au prototype.
Param`etre Valeur
my2 1.063±0.001 kg
I˜θ 2.06×10−3±0.08×10−3kg m2 CG2 0.034±0.002 m
Les modifications apport´ees au dispositif ont introduit de faibles variations sur les pro-pri´et´es inertielles du prototype. La masse de pilonnement my2 est l´eg`erement inf´erieure dans le nouveau design et le moment d’inertie ˜Iθ a peu augment´e. Enfin, l’emplacement relatif du centre de gravit´e CG2 sur la corde du profil n’a gu`ere chang´e par rapport au design initial du prototype. Cependant, les variations sur les param`etres structuraux sans dimension correspondants ne sont pas n´egligeables puisque les grandeurs utilis´ees dans la normalisation (la corde c, l’envergure b et la vitesse de l’´ecoulement U∞) ont connu d’importants changements. Cela pourra avoir un impact sur la reproductibilit´e des r´esultats obtenus pr´ec´edemment, comme on le verra dans la suite lors de l’optimisation du syst`eme dans son nouveau design.