L’id´ee d’utiliser une aile oscillante en tant que dispositif de r´ecup´eration d’´energie a ´et´e introduite par McKinney et DeLaurier(1981). Le premier concept ´etudi´e est celui d’une aile oscillante active. Depuis, de nombreuses ´etudes num´eriques et exp´erimentales ont ´et´e men´ees afin de prouver la faisabilit´e de ce concept (voir Xiao et Zhu(2014) et Young et al.
(2014)). En particulier, Davids (1999) et Kinsey et Dumas (2008) ont d´ecouvert que le d´ephasage id´eal entre les mouvements de pilonnement et de tangage est d’environ 90◦. Ce d´ephasage permet de maximiser la r´ecup´eration d’´energie. De plus, ils ont montr´e que la valeur du d´ephasage optimal est tr`es sensible `a l’emplacement de l’axe de tangage sur la corde du profil.
L’efficacit´e du concept d’hydrolienne `a aile oscillante active a ´et´e prouv´ee exp´erimentalement parKinseyet al.(2011) dans une configuration incluant deux ailes en tandem (cf. figure 1.10).
Dans leur dispositif exp´erimental, l’axe de tangage ´etait plac´e `a une distance ´equivalente `a un tiers de la corde `a partir du bord d’attaque. Le rendement hydraulique de leur prototype a ´et´e estim´e `a 40 %, ce qui est tr`es satisfaisant pour un syst`eme hydrolien vis-`a-vis de la limite th´eorique de Betz. En revanche, plus d’un quart de la puissance hydraulique r´ecup´er´ee par le syst`eme correspondait `a des pertes au niveau des frottements dans les m´ecanismes utilis´es pour contraindre les mouvements des ailes. Cela a mis en ´evidence les points faibles du syst`eme `a aile oscillante active du point vu de la complexit´e technologique.
Figure 1.10 – Prototype d’aile oscillante active `a mouvements contraints et coupl´es, d´evelopp´e parKinsey et al.(2011).
Le syst`eme hydrolien `a aile oscillante semi-passive a originalement ´et´e con¸cu avec un mouvement de tangage contraint – contrˆol´e par un servomoteur – et un mouvement de pilonnement libre (Shimizuet al., 2008;Zhuet al.,2009). Un d´emonstrateur `a ´echelle r´eelle de ce type d’aile a ´et´e d´evelopp´e par Engineering Business Limited. Appel´eStingray, ce
prototype ´equip´e d’une aile de 3 m de corde et de 15.5 m d’envergure a ´et´e test´e dans les ˆıles Schetland en 2002 (Stingray,2002). Cette hydrolienne `a aile oscillante semi-passive a
´et´e con¸cue pour fournir une puissance ´electrique proche des 150 kW. Malheureusement, les performances ´energ´etiques obtenues ´etaient bien en-de¸c`a des attentes. De plus, d’importants probl`emes li´es `a la maintenance des v´erins utilis´es pour l’activation du mouvement de tangage ont ´et´e rencontr´es. Cela r´eaffirme les inconv´enients li´es `a la complexit´e technologique propres aux hydroliennes `a aile oscillante dot´ees d’un syst`eme d’activation des mouvements.
Figure 1.11 –Stingray, prototype d’aile oscillante semi-active `a ´echelle r´eelle d´evelopp´e parEngineering Business Limited (Stingray,2002) et test´e dans les ˆıles Schetland.
Le concept du syst`eme hydrolien `a aile oscillante passive a ´et´e propos´e par Peng et Zhu (2009). Dans leur ´etude num´erique, ils ont d´ecouvert que l’emplacement de l’axe de tangage et la raideur des ressorts de torsion sont des param`etres cl´es pour le comportement dynamique de l’aile. En fonction des valeurs de ces param`etres, quatre r´eponses diff´erentes au niveau de la cin´etique de l’aile ont ´et´e observ´ees. Seule une de ces quatre r´eponses est adapt´ee `a la r´ecup´eration d’´energie, caract´eris´ee par un r´egime r´egulier d’oscillations centr´ees `a la position d’´equilibre et de grande amplitude. Par la suite, Zhu(2012) a montr´e num´eriquement que la pr´esence d’un gradient lin´eaire de vitesse dans l’´ecoulement incident n’influe gu`ere sur les r´esultats trouv´es par Peng et Zhu (2009).
Les ´etudes num´eriques de Peng et Zhu (2009) et Zhu (2012) ont ´et´e men´ees dans des conditions qui s’´eloignent sensiblement du comportement r´eel du syst`eme. En effet, leurs mod`eles 2D supposaient un ´ecoulement laminaire, ne prenaient pas en compte les propri´et´es inertielles de l’aile et consid´eraient une raideur de pilonnement nulle.
Plus tard, des ´etudes num´eriques sur l’aile oscillante passive ont ´et´e men´ees par Veilleux (2014) etWanget al.(2017) dans des cas plus r´ealistes, i.e. avec des ´ecoulements turbulents et des masses d’aile non nulles. Veilleux(2014) et Veilleux et Dumas (2017) ont trouv´e une configuration optimale en faisant varier l’ensemble des param`etres du syst`eme sauf
l’emplacement de l’axe de tangage, fix´e `a un tiers de la corde. Ils ont montr´e que le d´ephasage entre les positions de pilonnement et de tangage – qui ne peut pas ˆetre connu `a priori pour une aile oscillante passive – ´etait d´eterminant au niveau des performances ´energ´etiques du syst`eme. Dans leur configuration optimale pr´esentant un rendement hydraulique de η = 33.6 % et un coefficient de puissance de CP = 1.079, le d´ephasage se rapprochait de 90◦. Cette valeur optimale de d´ephasage est la mˆeme que pour les syst`emes `a aile oscillante active et semi-passive. Une particularit´e du mod`ele num´erique impl´ement´e par Veilleux(2014) est qu’il ne permet pas de simuler une aile l´eg`ere dont la masse volumique s’approcherait de celle du fluide. En effet, dans ces conditions, son mod`ele a rencontr´e des instabilit´e num´eriques de masse ajout´ee.
Par ailleurs, d’importantes contributions `a l’´etat de l’art du syst`eme hydrolien `a aile oscillante ont ´et´e apport´ees tr`es r´ecemment par les travaux de th`ese de Boudreau (2019).
Tout d’abord, Boudreau et al.(2018) ont d´evelopp´e et test´e le premier prototype d’aile oscillante passive dans un canal `a surface libre (cf. figure 1.12). Ils ont pu mesurer un rendement hydraulique de η = 26.8 % et un coefficient de puissance de CP = 0.68. Ces r´esultats ont ´et´e d´etermin´es apr`es avoir d´eduit les pertes dues aux frottements au niveau des liaisons m´ecanique et ont ´et´e obtenus dans une configuration d’aile oscillante passive proche du cas optimal pr´evu num´eriquement par Veilleux et Dumas (2017). En effet, l’axe de tangage ´etait plac´e `a un tiers de la corde et l’aile ´etait relativement lourde (d’une masse volumique environ 30 fois sup´erieure `a la masse volumique de l’eau).
Figure1.12 – Prototype d’aile oscillante passive con¸cu et test´e parBoudreauet al.(2018).
Enfin, l’´etude num´erique r´ealis´ee par Boudreau et al.(2020) a montr´e que les performances
´energ´etiques de l’aile oscillante passive pouvaient ˆetre encore am´elior´ees. En effet, des rendements hydrauliques sup´erieurs `a 50 % ont ´et´e obtenus num´eriquement en 2D. Ces rendement maximaux ont ´et´e atteints avec une aile fonctionnant sans apparition de LEV et donc, sans d´ecrochage dynamique. Ce nouveau principe de fonctionnement de l’aile oscillante passive – qui repose sur une instabilit´e de flottement – a ´et´e inspir´e des r´esultats obtenus pr´ec´edemment par Kinsey et Dumas(2014) etBoudreauet al. (2019) respectivement pour une aile oscillante active et semi-passive. Les conditions pour lesquelles un tel comportement a ´et´e observ´e incluent des propri´et´es inertielles de l’aile relativement ´elev´ees, notamment avec une masse et un moment d’inertie importants.