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Histoire du musée
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Projets de recherche
Les différents projets réalisés au LMFN s’articulent principalement autour des programmes de recherche des deux professeurs responsables :
G. Dumas
Énergie hydrocinétique : Analyse CFD des technologies de turbine et Optimisation des déploiements en parc.
M. Olivier
Simulation numérique des interactions fluide-structures et des phénomènes multi-physiques dans les écoulements de fluide.
Selon les demandes de collaboration de partenaires universitaires ou gouvernementaux et d’entreprises privées, des projets supplémentaires s’ajoutent régulièrement.
Projets actifs
Développement d'une hydrolienne à ailes oscillantes avec mécanismes passifs ou semi-passifs.
Optimisation d'une turbine à axe-vertical par l'ajout de flexibilité (interactions fluide-structure).
Développement et validation d'une méthode de représentation de turbines au sein d'un parc (méthode EPTM) par l'ajout de termes sources de haute fidélité à une région d'actuation.
Caractérisation des sillages pour diverses technologies de turbines.
Optimisation de la configuration de cylindres perpendiculaires pour l'obtention d'oscillations induites par vortex.
Optimisation des performances d'une turbine à axe vertical par l'ajout de plaques de bout détachées et de modifications au design des supports.
Développement d'algorithmes de couplage fluide-structure.
HAO-1 / HAO-2 : Turbine à ailes oscillantes à mouvements contraints.
Contexte
La hausse du prix de l’essence et les effets du réchauffement climatique ont entraîné un engouement nouveau pour l’utilisation de sources d’énergies propres et renouvelables. L'énergie solaire et éolienne en sont des exemples bien connus, mais il ne faut pas oublier l'énorme quantité d'énergie cinétique contenue dans les cours d’eau et océans.
Hydroélectricité et hydroliennes
Au Québec, nous avons une situation particulière avec 96%[1] de la production d’électricité venant du secteur hydroélectrique.
L’hydroélectricité au Québec est essentiellement produite en turbinant l’eau d’un réservoir artificiel créé en construisant un barrage sur un cours d’eau. L’élévation de l’eau dans le réservoir constitue la source d’énergie. On parle alors d’énergie potentielle.
Certaines centrales dites « au fil de l’eau » utilisent directement le débit de la rivière, c’est-à-dire son énergie cinétique (l’énergie de l’eau en mouvement). À défaut d’ériger un barrage, il est également possible d’implanter des turbines unitaires dans un cours d’eau. Celles-ci sont entraînées par l’énergie cinétique tout comme les centrales au fil de l’eau mais sans harnacher un cours d’eau sur toute sa largeur. On appelle ce type de turbine « hydrolienne » par analogie avec les éoliennes qui, elles, sont entraînées par l’énergie cinétique du vent.
Les hydroliennes peuvent produire de l’électricité à partir des courants de rivières ou de marées, et d'une manière similaire aux éoliennes peuvent être regroupées au sein de fermes d’hydroliennes dans les sites favorables.
[1] Source : Hydro-Québec
Hydroliennes vs éoliennes
Le secteur hydrolien est en pleine effervescence au niveau mondial, avec de nombreux prototypes en développement. Toutefois, au niveau de la recherche, l’hydrolien est présentement au stade où en était l’éolien il y a 30 ans. Néanmoins, il devrait se développer rapidement grâce aux conditions politiques et sociales favorables ainsi qu’à diverses avancées technologiques (nouveaux matériaux, outils de simulations numériques avancés, etc).
De façon générale, extraire l’énergie de l’eau présente des avantages par rapport au vent :
-
une plus grande densité énergétique — à puissance égale, une hydrolienne aura une surface 20 fois plus petite qu’une éolienne [1].
-
une prédictibilité accrue — les courants de marées sont très constants et peuvent être prédits aisément, au contraire des vents. Les rivières et canaux de sortie de barrages présentent également des écoulements typiquement prévisibles.
-
une empreinte naturelle plus discrète — visuellement et auditivement, les hydroliennes devraient être beaucoup plus facilement acceptées par la population. Sises au fond de l’eau, les hydroliennes deviennent essentiellement invisibles et ne gâchent pas le paysage.
[1] Considérant un courant d’eau de 4 nœuds (2m/s) et un vent de 25km/h (7m/s).
Principe de fonctionnement
L'utilisation d'ailes effectuant un mouvement oscillant peut être utile dans diverses applications d'ingénierie aéro-hydrodynamique (extraction d'énergie, propulsion, contrôle d'écoulement).
Dans le cas présent où l'on souhaite produire de l'électricité à l'aide d'un courant d'eau, ce dernier doit venir effectuer un travail sur les ailes qui doit soutenir le mouvement oscillatoire. Ce travail représente une fraction, typiquement moins de 40%, de l'énergie cinétique associée à l'écoulement.
Pour s'assurer que l'énergie est transférée de l'eau aux ailes, l'amplitude des mouvements des ailes et leur fréquence d'oscillation sont choisies de manière à ce que les ailes présentent à l'écoulement d'eau un angle tel que les forces hydrodynamiques entretiennent le mouvement oscillatoire.
Le mouvement d'oscillation des ailes est alors converti mécaniquement en un mouvement rotatif qui entraîne un arbre de transmission auquel est relié la génératrice.
Le projet HAO-LAVAL
Divers concepts d’hydrolienne sont en développement à travers le monde, la plupart utilisent des pales rotatives à axe horizontal (comme la vaste majorité des éoliennes actuelles) ou à axe vertical (comme les éoliennes Darrieus).
Le projet de recherche HAO (Hydrolienne à Ailes Oscillantes) en cours à l’Université Laval se distingue de ces concepts par l’utilisation d’ailes effectuant un mouvement oscillatoire dans l’écoulement. Ces ailes en oscillation remplacent ici les pales rotatives habituellement utilisées.
L’eau en mouvement vient entraîner le mouvement cyclique de la paire d’ailes dont le mouvement alterné est transmis à un arbre en rotation relié à une génératrice.
Les forces hydrodynamiques opérant sur les ailes en oscillation sont également cycliques et permettent d’aller chercher des performances moyennes supérieures à celles atteignables par une hydrolienne à pales rotatives de taille similaire.
Des modélisations numériques prévoient qu’une plus grande part de l’énergie disponible dans un courant d’eau peut être extraite avec une hydrolienne à ailes oscillantes, comparativement à une hydrolienne à pales rotatives.
En plus d’un potentiel d’efficacité supérieur, l’hydrolienne à ailes oscillantes se démarque des turbines à pales rotatives par ses pales (ailes) de géométrie simple sans gauchissement, par sa fenêtre d’harnachement rectangulaire mieux adaptée au fond marin, qui permet une installation en eaux peu profondes avec la possibilité d'augmenter la puissance simplement par une augmentation de l’envergure transversale.
Aperçu de quelques projets complétés
Optimisation des performances de l'hydrolienne à ailes oscillantes à grandes amplitudes de débattement.
Étude de l'effet d'un écoulement amont non uniforme sur les performances des hydroliennes à ailes oscillantes
Simulations numériques de l'écoulement d'une turbine hydraulique afin de représenter adéquatement l'écoulement en entrée d'aspirateur
Simulations des phénomènes de cavitation instationnaires lors du délestage d’une turbine hydraulique