Wave-structure interactions of a submerged elastic plate for wave energy conversion.
Interactions vague-structure d'une plaque flexible immergée pour la conversion d'énergie des vagues
Abstract
Wave-structure interaction is a rich field with crucial application interests, such as coastal protection or electricity production through wave energy conversion. This thesis is part of that context and focuses on the specific case of a submerged elastic plate, attached at its leading edge, and forced by water waves. This device, considered as a potential wave energy converter, has been extensively studied for uniform flows or in a still fluid. However, the effect of wave-induced forcing on a submerged elastic plate remains little studied. To address this gap, the purpose of this thesis is to describe the interaction between a submerged elastic plate, held at its leading edge, and a monochromatic surface wave field. For that purpose, an initial theoretical work is carried out based on linear wave theory. The objective of this approach is to gain a preliminary understanding of the system, namely, to formalize the physical problem and obtain information about the plate response to wave excitation. Thus, waves reflection and transmission are evaluated and contextualized through the plate's displacements observation. From this study, the elastic plates exhibit complex resonance patterns that vary based on the submergence depth, length, and rigidity of the plates. This linear theoretical approach, limited to the ideal case of small wave amplitudes and small plate displacements, is complemented by an experimental study of plate-wave interaction. An original aspects of the thesis lies in the dimensions of the experimental setup. The utilized wave tank measures 2 meters by 50 centimeters, and is considerably smaller than the experimental facilities used in the majority of wave-structure interaction studies. This reduced size allows for the use of different experimental methods and the acquisition of additional information. Consequently, the wave field height measurements can be performed on the whole surface of the tank, using Schlieren imaging, leading to a robust estimation of wave reflection and transmission coefficient. Additionally, the fluid velocity field in the bulk can be assessed using Particle Image Velocimetry. Several notable points emerge from those measurements. First, at small wave amplitudes, experimentally measured reflection peaks coincide with numerical predictions of so-called "wide" peaks. Furthermore, by comparing the reflection generated by flexible plates to the case of a rigid plate of the same dimensions, it becomes apparent that the reflections are due to flexibility. Finally, at large wave amplitudes, a jet is generated by the plate. This jet, could be responsible for a change in the average position of the plate, leading to total wave energy dissipation for the least rigid plate.
L'interaction vague-structure est un domaine riche et aux intérêts applicatifs cruciaux tels que la protection côtière ou la production d'électricité par conversion d'énergie des vagues. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et s'intéresse au cas spécifique d'une plaque élastique submergée, maintenue à son bord d'attaque, et excitée par des vagues. Ce dispositif, qui est envisagé comme un potentiel convertisseur d'énergie des vagues, a été longuement étudiée dans le cas d'un écoulement uniforme ou pour un fluide au repos. En revanche, l'effet de l'excitation, par des vagues, d'une plaque élastique submergée reste mal connu. Pour pallier à ce manque, cette thèse a pour but de décrire l'interaction entre une plaque élastique submergée, tenue à son bord d'attaque et des vagues. Pour ce faire, un premier travail théorique est menée en s'appuyant sur la théorie de la houle linéaire. Le but de cette approche est d'obtenir une première compréhension du système, c'est-à-dire de formaliser le problème physique et d'obtenir des informations sur la réponse des plaques excitées par les vagues. Pour cela, la réflection et la transmission des vagues sont évaluées et mises en perspective grâce à l'observation des déplacements de la plaque. De cette étude, il ressort que les plaques élastiques possèdent des motifs de résonnance complexes, qui varient en fonction de la profondeur, longueur ou rigidité des plaques. Cette approche théorique linéaire, limitée au cas idéal de petites amplitudes de vagues et des petits déplacements de la plaque, est enrichie par une étude expérimentale de l'interaction plaque-vagues. Une des originalités de cette thèse réside dans les dimensions du dispositif expérimental. Le bassin utilisé mesure 2 mètres par 50 centimètres, et est beaucoup plus petit que pour la majorité des travaux d'interaction vague-structure. Cette petite taille permet d'utiliser des méthodes expérimentales différentes et d'obtenir des informations supplémentaires. Ainsi, la hauteur du champ de vagues peut être estimée en tout point par imagerie Schlieren, ce qui permet la mesure de coefficients de réflexion et de transmission. Les champs de vitesse du fluide peuvent être évalués par Vélocimétrie par Image de Particules. Plusieurs faits marquant ressortent de ces mesures. Tout d'abord, à petites amplitudes de vagues, les fréquences des pics de réflexions mesurés expérimentalement coincident avec les prévisions numériques de pics dits "larges". Ensuite, en comparant la réflexion engendrée par des plaques flexibles avec le cas d'une plaque rigide de même dimension, il apparaît que les réflexions sont dues à la flexibilité. Finalement, à grandes amplitudes de vagues, un jet est créé par la plaque. Le jet pourrait être responsable d'un changement de position moyenne de la plaque, pour la plaque la moins rigide, entraînant une dissipation totale de l'énergie des vagues.
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