Château de Caen

Etude exploratoire des effets du biofouling sur les performances et le sillage des hydroliennes

Date de publication : 22 juin 2022 Page(s) : 8

Auteur(s) :

ROBIN Ilan (Normandie Université, UNICAEN, CNRS, Morphodynamique Continentale et Cotière (M2C), Caen, France) , BENNIS Anne-Claire (Normandie Université, UNICAEN, CNRS, Morphodynamique Continentale et Cotière (M2C), Caen, France) , DAUVIN Jean-Claude (Normandie Université, UNICAEN, CNRS, Morphodynamique Continentale et Cotière (M2C), Caen, France)

Établissement(s) de rattachement :

UNICAEN, CNRS
Refs : Mycek, P. 2013. Numerical and Experimental Study of the Behaviour of Marine Current Turbines. Thèse, Université Le Havre Normandie, Le Havre, France. Orme, J.; Masters, I.; Griffiths, R. 2001. Investigation of the effects of the biofouling on the efficiency of marine current turbines. In Proceedings of the MAREC 2001, International Conference of Marine Renewable Energies, London, UK, 27–28 March 2001; pp. 91– 99. Qiuhao, H., li, y., Di, Y. et Chen, J. 2017. A large-eddy simulation study of horizontal axis tidal turbine in different in flow conditions. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 9:064501. Raoux, A., Robin, I., Pezy, J.-P., Bennis, A.-C. et Dauvin, J.-C. (2021). Multi-Disciplinary and Multi-Scale Assessment of Marine Renewable Energy Structure in a Tidal System, Journal of Energy and Power Technology. Journal of Energy and Power Technology, 3 : 1-16. Robin, I., Bennis, A.-C. et Dauvin, J.-C. 2021a. 3D numerical study of the impact of macroroughnesses on a tidal turbine, on its performances and hydrodynamic wake. Journal of Marine Science and Engineering, 9(11), 1288. Robin, I., Bennis, A.-C. et Dauvin, J.-C. 2021b. 3D simulation with flow-induced rotation for non-deformable tidal turbines. Journal of Marine Science and Engineering, 9(3) : 1-26. Robin, I., Bennis, A.-C. et Dauvin, J.-C. (2021c). Eulerian pressure-velocity/lagrangian vorticity-velocity coupling applied to wake and forces calculation for biofouled tidal turbines. 4th WCCM-ECCOMAS Congress 2020, 4127 : 1-12 Robin, I. 2021. Impact du biofouling sur les performances et le sillage des hydroliennes : une étude exploratoire 3D. Thèse, Université de Caen Normandie, Caen, France. Rivier, A.; Bennis, A.-C.; Jean, G.; Dauvin, J.-C. 2018. Numerical simulations of biofouling effects on the tidal turbine hydrodynamic. Int. Mar. Energy J., 1, 101–109. Walker, J.; Green, R.; Gillies, E.; Phillips, C. 2020. The effect of a barnacle-shaped excrescence on the hydrodynamic performance of a tidal turbine blade section. Ocean Eng, 217, 107849

Résumé

La transition énergétique passe par une réorganisation de la répartition des
sources d’énergies. La puissance totale des énergies renouvelables (ENRs) doit augmenter dans
les prochaines années. La technologie hydrolienne marine a comme avantage de fournir une
énergie faiblement carbonée prédictible. Mais son développement soulève des problématiques
qui lui sont propres : dans l’eau, en milieu naturel, des organismes vivants colonisent les
surfaces des turbines immergées, c’est le biofouling. Celui-ci induit des changements sur le
comportement des hydroliennes que l’on cherche à décrire et quantifier à l’aide d’outils
numériques. Plusieurs aspects sont abordés dans notre approche : d’abord dans le cas simplifié
d’une pale droite dans un écoulement rectiligne uniforme permet de valider le modèle
numérique. Puis une hydrolienne complète à axe horizontal dont les pales sont colonisées de
façon réaliste est étudiée. La comparaison des données de la turbine propre à celle colonisée
montre une réduction de la puissance de l’hydrolienne et une augmentation de sa traînée. Les
effets de l’ajout de biomasse de faune sur le démarrage des machines sont ensuite étudiés à
l’aide d’un système innovant d’Interaction Fluide-Structure (IFS) : le mouvement induit par le
fluide. Le biofouling pourrait avoir un effet conséquent sur l’amorçage de la mise en rotation,
et pourrait même bloquer les hydroliennes à axe vertical. Le couplage entre des code Eulérien
et Lagrangien pourrait faciliter l’étude de problématiques fluides multi-échelles en réduisant
les temps de calcul requis.

MOTS CLEFS : Énergies marines renouvelables, Hydroliennes, Interaction fluide-structure,
Biofouling, Turbulence

Abstract

The energy transition requires a reorganization of the distribution
of energy sources. The total power of renewable energies (ENRs) must increase in the future
years. The advantage of marine tidal turbine technology is that it provides predictable, lowcarbon energy. But its development has its own problems: in the water, in a natural
environment, living organisms colonize the surfaces of submerged turbines, this is the
biofouling. This involves changes in the behaviour of tidal turbines that we seek to describe and
quantify using numerical tools. Several aspects are addressed: firstly in the simplified case of a
straight blade in a uniform flow is used validate the numerical model. Then a complete
horizontal axis tidal turbine with realistically colonized blades is studied. Comparison of the
data from the clean turbine to the colonized one shows a decrease in the power of the tidal
turbine and an increase of its drag. The effects of the addition of biological biomass on the startup of the machines are then investigated using an innovative Fluid-Structure Interaction (FSI)
system: fluid-induced motion. The biofouling could have a significant effect on the initiation of
the rotation especially for vertical axis turbines. The coupling between Eulerian and
Lagrangian codes could simplify the study of multi-scale fluid problems by diminishing the
required computation time.

KEYWORDS: Tidal turbine, CFD, Roughness, Fluid-Structure Interactions

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