Behaviour of a ducted twin vertical axis tidal turbine in a diversity of flow conditions at sea and in a flume tank

Limiting human-caused global warming requires, among other adaptations, a substantial reduction of fossil fuel use and a widespread electrification based on low greenhouse gas emission production systems. In this context, harnessing the tidal current energy and other marine renewable energy sources has gained interest for the last decade, which lead to the first offshore tests for several tidal energy converter concepts. Among them, the first 1 megawatt ducted twin vertical axis tidal turbine prototype, developed by HydroQuest, was tested off the northern coast of Brittany, France, from 2019 to 2021. In the prospect of the next turbine generations, the company wants to improve its experimental and numerical design tools to gain confidence in its capacity to predict the full-scale performance and loads from the experiments at reduced-scale. That can only be done by comparing the results obtained at sea to those obtained in the laboratories to assess the potential scale effects. Therefore, we first analyse the measurements at sea to characterise the behaviour of the prototype. Then, we study the response of a 1/20 scale model of that prototype tested in the Ifremer wave and current flume tank in Boulogne-sur-mer, France. We consider many flow conditions, increasing the complexity from idealised towards more realistic conditions. Beyond the comparison between reduced- and full-scale results, the analyses presented in that thesis also aim at better understanding the influence of each of the tidal current flow characteristics on the ducted turbine. In more details, from power performance, loads and wake measurements, we study the effects of the incident flow shear, of the relative flow direction, of the turbulence generated by bathymetry obstacles and of surface waves on the model response. The results show that the average power performance is rather insensitive to the incident flow conditions whereas the power and load fluctuations can be strongly affected. Finally, we discuss the scale effects on the results by comparing the power performance, the loads and the wake results in the tank with those obtained on the prototype at sea. The results allow to refine the evaluation of the correction needed at reduced-scale to predict the power performance at full-scale, mainly due to Reynolds number difference. Even if the loads and the wake results seem less affected by the viscous effects, a detailed comparison with the full-scale results would require improvements on the measurements at sea to better quantify the potential scale effects. Those improvements may be implemented in the coming years with the launch of the next generation of twin vertical axis tidal turbines.

Limiter le réchauffement climatique nécessite, entre autres adaptations, une réduction substantielle de l’utilisation des énergies fossiles et une électrification généralisée basée sur des systèmes de production faiblement émetteurs de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, l’exploitation de l’énergie des courants de marée et autres énergies marines renouvelables gagne en intérêt. Ainsi, la dernière décennie a vu les premiers essais en mer de plusieurs concepts d’hydroliennes. Parmi eux, la première hydrolienne carénée à double axe vertical de 1 mégawatt, développée par HydroQuest, a été testée au large de l’île de Bréhat, en Bretagne, de 2019 à 2021. Dans la perspective des prochaines générations de turbines, l’entreprise souhaite améliorer ses outils de conception expérimentaux et numériques afin de gagner en confiance dans sa capacité à prédire les performances et les chargements mécaniques à l’échelle réelle à partir des expériences à échelle réduite. Cela ne peut se faire qu’en comparant les résultats obtenus en mer à ceux obtenus en laboratoire afin d’évaluer les potentiels effets d’échelle. Par conséquent, nous commençons ce mémoire par l’analyse des mesures en mer pour caractériser le comportement du prototype in-situ. Ensuite, nous étudions la réponse d’une maquette à l’échelle 1/20 de ce prototype à partir d’essais réalisés dans le bassin à houle et courant de l’Ifremer à Boulogne-sur-mer. Nous considérons de nombreuses conditions d’écoulement, allant de conditions idéales vers des conditions plus complexes et réalistes. Au-delà de la comparaison des résultats entre échelle réduite et échelle réelle, les analyses présentées dans cette thèse visent également à mieux comprendre l’influence de chacune des caractéristiques de l’écoulement des courants de marée sur le comportement de l’hydrolienne carénée. À partir de mesures de puissance, d’efforts et de sillage, nous étudions les effets du cisaillement de l’écoulement incident, de sa direction relative, de la turbulence générée par des obstacles bathymétriques et des vagues en surface sur la réponse de la maquette. Les résultats montrent que la génération de puissance est, en moyenne, insensible aux conditions d’écoulement incidentes alors que les fluctuations de puissance et d’efforts peuvent être fortement affectées. Enfin, nous discutons des effets d’échelle, notamment de l’influence du nombre de Reynolds, en comparant les résultats en bassin d’essais à ceux obtenus sur le prototype en mer. Les résultats permettent d’affiner la correction qu’il convient d’appliquer aux mesures à échelle réduite pour prédire la génération de puissance à échelle réelle. Bien que les efforts et le sillage semblent moins affectés par les effets visqueux, une comparaison détaillée avec les résultats à échelle réelle nécessiterait des améliorations sur les mesures en mer afin de mieux quantifier les potentiels effets d’échelle. Ces améliorations pourront être mises en oeuvre dans les années à venir avec le lancement de la prochaine génération d’hydroliennes à double axe vertical