3D non-linear numerical hydrodynamic modelling of floating wave energy converters

par Majid Bhinder

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides

Sous la direction de Pierre Ferrant.

Soutenue en 2013

à l'Ecole centrale de Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes) (laboratoire) .

mots clés

• Energie houlomotrice
• Formule de Morison
• Hydrodynamique numérique
• Énergie des vagues
• Hydrodynamique

Résumé

Dans cette thèse, on cherche à quantifier l’impact des effets d’origine visqueuse sur la dynamique et la production d’énergie des systèmes houlomoteurs. A l’heure actuelle, l’état de l’art pour évaluer la production d’énergie des houlomoteurs repose sur des approches en théorie linéarisée des écoulements potentiels (codes BEM) car la CFD (Computational Fluid Dynamics) est encore trop coûteuse en terme de temps de calcul. Cependant, l’approche potentielle est limité par les hypothèses de linéarité sur laquelle elle repose. Ces limitations doivent être comprises et des améliorations apportées. En particulier, une piste d’amélioration est l’ajout de correction visqueuse via l’ajout de terme quadratique à la Morison dans l’équation du mouvement. Cette correction dépend d’un coefficient de trainée qui doit être estimé avant de pouvoir réaliser la simulation. Une possibilité est d’interpoler la valeur de ce coefficient à partir des données expérimentales que l’on peut trouver dans la littérature, ou bien utiliser la CFD. Dans ce travail, on s’est intéressé à la faisabilité de cette seconde approche. Deux houlomoteurs académiques ont été modélisés. Le premier est une bouée pilonnante de forme cylindrique, à bouchains vifs. Le second est un volet oscillant en cavalement. Des calculs CFD des efforts exercés sur ces géométries ont été réalisés dans un écoulement oscillant. L’effort mesuré est lissé conformément à la formule de Morison en utilisant la méthode des moindres carrés pour déterminer les coefficients de trainée et de masse d’eau ajoutée. Ensuite, le coefficient de trainée est implémentée dans l’équation du mouvement du houlomoteur correspondant. L’absorption d’énergie avec et sans la prise en compte des effets visqueux est alors évaluée, qui met en évidence l’importance de leur prise en compte.

Résumé

The impact of the viscous and vortex forces in the context of floating wave energy devices has been studied in this work. At present the state of the art tools to assess the efficiency of the WECs (Wave Energy Converters) comprise the BEM (boundary element method) codes based on the potential linear approach whereas CFD (computational fluid dynamics) is still considered to be computationally expensive. However the former has its limits regarding linearity restrictions and hence needs further inspections and improvements. A possibility for improvement is to account for viscous damping via additional Morison-like quadratic damping term. The intensity of this additional damping term depends on a coefficient which needs to be estimated prior to the calculations. One can interpolate this coefficient from the many previously published experimental results or imagine using CFD. In this study, the applicability of the latter option is investigated for WEC application. Two generic devices such as a heaving cylinder with sharp corners and a surging flap type WEC are considered. CFD computations of the forces on the buoy in an oscillatory flow are performed. This CFD-force is then fitted by the Morison’s equation using least square approach, which gives estimation of the viscous damping coefficient. This coefficient is implemented in the equation of motion of the WEC. The energy absorption with and without taking into account the viscous damping is then derived, which shows the importance of its appropriate modelling.