Sustainable Marine Energies - Fluid/Structure Interactions (ME / M2-FME / M2-EFM) - 5EUS5EMR

Objectif(s)

L’objectif principal du module concerne d’une part la compréhension et le calcul des systèmes éoliens et hydroliens (design aéro-hydrodynamique, performances et contrôle du rotor) et d’autre part l’analyse statique et dynamique de structures soumises à des efforts aéro-hydrodynamique (typiquement les pales d’éoliennes ou d’hydroliennes).
Le cours donne aussi une culture générale sur les nouvelles sources d’énergies marine issues de la mer (éolien offshore, hydrolien, houlomoteur, thermique, osmotique).

Les Acquis d'Apprentissage attendus pour chaque cours sont listés ci-après :

Eolien / EMR :
- Connaitre les principales sources d'énergie marine et leur potentiel
- Comprendre le fonctionnement aérodynamique d'une éolienne et la limite théorique supérieure de son rendement (limite de Betz)
- Comprendre et évaluer la génération des forces de portance et traînée par un profil d'aile
- Etre capable de calculer les lois de vrillage et de corde d'une pale d'éolienne
- Etre capable de calculer les coefficient de puissance et de poussée pour une pale d'éolienne donnée
- Choisir la vitesse nominale d'une éolienne en fonction de la distribution des vents sur le site d'installation considéré
- Etre capable de calculer le productible d'une éolienne en fonction de son site d'installation
- Comprendre, analyser, calculer et améliorer le facteur de charge d'une éolienne

IFS :
- Connaître et énumérer les différentes formes de couplage d'un système complexe avec interaction fluide-structure.
- Expliquer et décrire un système complexe couplé.
- Appliquer les savoirs sur un cas pratique simplifié.
- Evaluer les risques de défaillance de la structure.

Contenu(s)

Cours-TD en 2 parties :
I eolien, Hydrolien, energies marines: 14H
I.1 Théorie de Betz: 2H
I.2 Aérodynamique des profils d’aile: 2h
I.3 Design du rotor: 2h
I.4 Contrôle aérodynamique et électrique du rotor: 2h
I.5 Turbines à axe vertical (flux transverse) : 2h
I.6 Rôle des carénages / Les énergies marines / notions sur les sillages: 2h
I.7 Retour d'expérience d'un industriel du secteur.

II Aéroelasticité 16H
II.1 Aérodynamque et bases de RDM
II.2 Aéroélasticité statique: la divergence d'un profil
II.3 Aéroélasticité dynamique: le flottement d'un profil type

2 mini projets sont prévus:

• BE1 (6h) Design aérodynamique des pales d'éoliennes et calcul des performances du rotor + (8h) dimensionnements d'éoliennes sur 2 sites, calcul du productible annuel
• BE2 (12h encadrées + 4h non encadrées) Etude numérique (CFD/FEA) des déformations d'une pale d'éolienne multi-MW sous chargement aérodynamique

BE1 permet aux étudiants d'être familiers avec le design des rotors d'éoliennes à axe horizontal par le calcul de la loi de vrillage et de corde des pales suivant leur envergure puis de comprendre comment est affectée la production d’électricité en vitesse de rotor fixe ou variable pour 2 types de répartition de vent. Il aborde aussi le dimensionnement des très grands rotors et l'utilisation de la courbe de puissance dite "en S"
BE2 concerne l'interaction fluides-structure (FSI) d'une pale d'éolienne. 4 conditions de vent typiques sont considérées: démarrage, nominal, arret et extrême.

Les 2 parties nécessitent des bases en mécanique des fluides. La partie FSI nécessite en plus des bases en résistance des matériaux, CFD et simulations avec les éléments finis (FEA).