Mouvements de grande amplitude d'un corps flottant en fluide parfait. Application à la récupération de l'énergie des vagues. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

Large amplitude motions of floating bodies in potential theory. Application to wave energy conversion

Mouvements de grande amplitude d'un corps flottant en fluide parfait. Application à la récupération de l'énergie des vagues.

Résumé

Wave energy converters (WECs) will be required to operate in severe seas. The Large amplitude of motions, and thus their numerical simulation can not be satisfactorily modelled by linear theory. So the primary goal of my research was to create a potentialmethod model for providing numerical simulations in time domain which can be used to assess various control strategies and hull shapes in different sea states. The first step has been to develop a 2D model to study the influence of the upper works of the SEAREV floating body. For this study, we chose to only take into account the Froude-Krylov forces on the instantaneous wetted surface. The incident wave field was given by the stream function theory of Rienecker & Fenton. The influence of the parts of upper works on the SEAREV device behavior has been realized by fixing the geometry of the hull whereas different shapes of the emerged part have been tested. A second step has been to create a linear 3D model to show how the production matrix of the SEAREV wave energy device is modified by the directional spreading of the wave spectrum and, to determine the resulting influence on the annual production at a given test site. In this approach, the computation of the hydrodynamic coefficients is performed by using the frequency-domain seakeeping computer code AQUADYN and the computation of the memory function by using the time-domain seakeeping code ACHIL3D. A cosine power '2s' function applied to a Pierson-Moskowitz spectrum is chosen to model the spreading. In the non-linear 3D model developed in a third stage, we have allowed the three-dimensional SEAREV device to be either floating on the free surface or completely immerged, and to undergo arbitrary six-degrees-of-freedom motions. The body motions have been described using three Cardan angles and the direct integration of the equations of motion implemented with a fourth order Runge-Kutta scheme. The fluid forces acting on the body can be non-linear with respect to certain motion variables, e.g. the quadratic component of Bernoulli's equation, the nonlinear incident potential flow. They contain “geometric” non-linearities as the forces are computed by integrating on the exact instantaneous position and wetted surface. The first-order force is calculated by a linear potential flow formulation whereas the second-order force is calculated by adding the quadratic term of Bernoulli's equation and by expanding the first-order force to the second-order using the Taylor expansion. The incident wave field is given by the stream function theory of Rienecker & Fenton as in the 2D model. Nonlinear irregular waves can also be generated by using a higher order spectral (HOS) formulation
Les corps flottants servant de capteur pour la récupération de l'énergie des vagues sont exposés, par nature, à des mers fortes et leur conception fait qu'ils seront a priori animés de grands mouvements. Cette particularité fait que la simulation numérique de leur comportement sur houle ne pourra pas se satisfaire de l'approche linéarisée. Une part importante et fortement non-linéaire de l'excitation du flotteur tient dans les termes dits « hydrostatiques » des efforts de pression dès lors que l'on tient compte de la déformation de la surface libre et du déplacement du corps. Ils se calculent par une intégrale dont le noyau est simple, mais dont le support (la surface instantanément mouillée) est ici bien plus difficile à déterminer. Ainsi, la première partie du travail présentée est consacrée au développement d'algorithmes permettant ce suivi de surface déterminé par l'intersection de la surface libre réelle et du corps (de forme non nécessairement simple) dans sa position déplacée. Pour la partie proprement hydrodynamique du problème, il a été utilisé une approche de champ complémentaire, déjà utilisée au LMF dans d'autres contextes, et en particulier pour les modélisations couplées fluide parfait/ fluide réel. Le champ incident est donné par une représentation spectrale qui permet d'avoir dans tout l'espace une expression analytique du champ incident en formulation non-linéaire. Le problème de la perturbation du champ incident est ensuite résolu par une méthode linéaire (singularités de Kelvin), en se basant sur des logiciels développés antérieurement au LMF. Les applications présentées concernent essentiellement la modélisation numérique du comportement du module SEAREV de récupération d'énergie des vagues.
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Dates et versions

tel-00521689 , version 1 (28-09-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00521689 , version 1

Citer

Jean-Christophe Gilloteaux. Mouvements de grande amplitude d'un corps flottant en fluide parfait. Application à la récupération de l'énergie des vagues.. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Ecole Centrale de Nantes (ECN); Université de Nantes, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00521689⟩
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