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Theses Year : 2019

Marine renewable energies and study of the performance of composite materials : case of a tidal current turbine

Énergies marines renouvelables et étude des performances des matériaux composites : cas d'une hydrolienne

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Abstract

Recently, Renewable Marine Energies (RME) has emerged as a tremendous opportunity for a real ecological and industrial choice to meet the growing demands for energy and also to fight global warming. The study conducted in this thesis is with in this framework of research and is focused on the investigation of one of the most promising categories of RMEs which is tidal current turbine. A new hydrofoil for the turbine was designed using BEM (Blade Element Momentum) methods and CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations with improved hydrodynamic efficiency. Furthermore, a series of numerical studies were conducted to investigate and examine the damage behavior of composite materials under critical loadings by developing DLOAD and VUMAT routines. This numerical study assisted in understanding the problems of structural lightening, resistance to fatigue and impact loading, and other degradation phenomena of themechanical properties of a composite turbine in severe marine environments and solving the needs of the manufactures. Moreover, study about the dynamic behavior of a composite/composite bonded assembly was also conducted because joint assembly plays a vital role in reducing the mass of the structure which is of extreme relevance in the field of marine and offshore structures. Another important obstacle regarding the application of composite and bonded structures in marine was the control of hygro-mechanical coupling. Therefore in this context, additional campaign of tests was carried out on bonded composite specimens by studying the hygrothermal effect on their dynamic behavior at different deformation rates using Hopkinson bar method. This hybrid study of hygro-thermal effect of the dynamic properties of the bonded composites will aid in optimization of the structures and to move into the commercial phase with a substantial gain in LCOE (Levelized Cost of Energy) in future.
Les énergies marines renouvelables (EMR) apparaissent aujourd’hui comme une formidable opportunité et un véritable choix écologique et industriel pour répondre à la demande croissante de l’énergie et pour lutter contre le réchauffement climatique. Au cours de cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types qui s’appelle l’énergie hydrolienne qui présente un immense potentiel dans le bouquet énergétique mondial. une nouvelle forme de pale d’une hydrolienne à axe horizontale a été développé par l’optimisation d’un hydrofoil existant en utilisant la méthode BEM (Blade Element Momentum) afin d’améliorer ses performances hydrodynamiques. La deuxième partie a été consacrée à étudier les performances mécaniques des matériaux composites comme composants structurels des pales d’hydrolienne et de la tuyère. Ces structures sont sujettes à de nombreux types de chargements, tels que les impacts de corps externes, la fatigue due à la variation des courants, mais également à diverses agressions liées à l’environnement marin telles que la variation de la température et l’humidité qui peuvent induire du vieillissement et de la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement à long terme de ces parties mobiles est donc essentielle afin de doter les bureaux d’études, confrontés au dimensionnement des structures d’énergies marines, d’outils leur permettant de faire le choix des matériaux (couplefibre/matrice), architectures fibreuses (nappe, tissus), séquence d’empilement des stratifiées minimisant la sensibilité aux chargements appliqués des structures travaillantes. L’objectif final de cette thèse est le développement d’outils et de méthodologies tant numériques qu’expérimentales capables de simuler l’impact du courant et du comportement de ces systèmes de façon couplée ce qui constitue un enjeu majeur de dimensionnement. En effet le but est d’identifier les voies d’optimisation qui permettront d’aller sur la phase commerciale avec un gain de LCOE (Levelized Cost of Energy) substantiel.
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tel-03170935 , version 1 (16-03-2021)

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  • HAL Id : tel-03170935 , version 1

Cite

Mourad Nachtane. Énergies marines renouvelables et étude des performances des matériaux composites : cas d'une hydrolienne. Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]. ENSTA Bretagne - École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne; Université Hassan II (Casablanca, Maroc), 2019. Français. ⟨NNT : 2019ENTA0010⟩. ⟨tel-03170935⟩
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