Modelization of the interactions between turbine and sediment transport, using the Blade Element Momentum Theory
Modélisation de l'interaction hydrolienne et environnement sédimentaire.Utilisation de la méthode Blade Element Method
Résumé
The energies of tidal or river currents constitute an alternative to fossil fuels. So far, their development has accelerated even if the transition to industrial scale still seems complicated. The exploration of the interaction between tidal turbine (tools for capturing marine or river currents) and the sedimentary bottom requires intensive research. On the one hand, the presence of the turbine can modify the morphology of the sandy bottom, in particular sand, on the other hand can affect the blades of the turbine and contribute to the deterioration of the turbine. Numerical studies on the turbine-sediment interaction at the local scale are very rare. The objective of this thesis is to model the local impact of the horizontal axis turbine on the sedimentary bottom composing sand of the same size. A transport model combining blade element theory (BEMT), the Actuator Disk (AD) which models the forces generated by the turbine blades, and the Euler-Euler multiphase model for sediment transport, has been implemented, based on the OpenFoam software platform. After a phase of validation of the modifications made, the code is applied to study various configurations of interaction between a turbine and the sedimentary bottom. First, a study of the effect of confinement on erosion is carried out. She highlighted a phenomenon that is corroborated by an experiment (Khaled et al., Sediment Research, 2021). Secondly, we compared the effects of modeling the turbine by AD model with that of the AD-BEMT model in terms of impact on the sandy bottom. Finally, we apply the model to the study of the impact of the interaction between two turbines one behind the other on the sediment dynamics. This last study highlights an interaction between the dynamics of ripples generation and the wake effects of turbines.
Les énergies des courants de marée ou de rivière constituent une alternative aux énergies fossiles. A ce jour, leur développement s’est accéléré même si le passage à l’échelle industrielle semble encore compliqué. L’exploration de l’interaction entre hydrolienne (outils de captation des courants marins ou fluviaux) et fond sédimentaire nécessite des recherches intensives. D’un coté, la présence de la turbine peut modifier la morphologie du fond sableux, et les sédiments, en particulier le sable peut d’un autre coté affecter les pales de la turbine et contribuer à la détérioration de la turbine.Les études numériques sur l’interaction turbine-sédiment à l’échelle locale sont très rares. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’impact local de la turbine à axe horizontal sur le fond sédimentaire composé de sable homogène de même taille. Un modèle de transport a été mis en place combinant la théorie des éléments des pales (BEMT) et l’Actuator Disk (AD), qui modélisent les efforts engendrés par les pales de la turbine, avec le modèle multiphasique Euler-Euler pour le transport sédimentaire. Ce modèle est basé sur la plateforme du logiciel OpenFoam. Après une phase de validation des modifications apportées, le code est appliqué à l'étude de diverses configurations des interactions entre une turbine et le fond sédimentaire. Dans un premier temps, une étude de l’effet du confinement sur l’érosion est réalisée. Elle a mis en évidence un phénomène contre intuitif mais corroboré par une expérience (Khaled et al., Sediment Research, 2021). Dans un deuxième temps, nous avons comparé les effets de la modélisation avec le modèle AD simple avec celle du modèle AD-BEMT en termes d’impact sur le fond sableux. Enfin, nous appliquons le modèle à l’étude de l’impact de l’écartement entre deux turbines l’une derrière l’autre sur la dynamique sédimentaire. Cette dernière étude met en évidence une interaction entre la dynamique de génération de rides sous-marines et les effets de sillage des turbines.
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