Modélisation de fermes de systèmes houlomoteurs : effets d’interactions entre systèmes à l’échelle de la ferme et impact sur le climat de vagues à l'échelle régionale

Numerical modeling of arrays of wave energy converters : interaction effects between units at the scale of an array and impact on wave climatology at the regional scale

• Auteur / Autrice : François Charrayre
• Direction : Michel Benoit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 17/09/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines) - Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant / Saint-Venant Laboratory for Hydraulics / Saint-Venant
• Jury : Président / Présidente : Elie Rivoalen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Benoit, Aurélien Babarit, Kostas Belibassakis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Sergent, Vincent Rey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Bathymétrie

Modèles mathématiques

Énergie des vagues

Mots clés libres

Systèmes de récupération de l’énergie des vagues (SREV)

Interactions vagues-Structure

Modélisation des vagues

Théorie potentielle

Approximation champ lointain

Terme puits

Wave Energy Converter (WEC)

Wave modeling

Potential theory

Far-Field approximation

Sink term

Wave-Body interactions

Résumé

Cette thèse porte sur le développement d'un ensemble d'outils numériques destinés à simuler différents aspects des interactions vagues-structure appliquées à l'exploitation des systèmes de récupération de l'énergie des vagues (SREV). Elle a été réalisée dans le cadre du projet ANR Monacorev (projet ANR11-MONU-018-01, 2012-2015).L'objectif est de pouvoir traiter la question des interactions à l'échelle d'une ferme de SREVs (≈ 1 km), et d'étudier l'impact d'une ou plusieurs fermes de SREVs à l'échelle régionale (≈ 10km) sur le champ de vague total. Des méthodes de modélisation et de simulation adaptées sont développées pour chacune de ces deux échelles. Jusqu'à présent, les interactions entre les SREVs étaient bien souvent étudiées en considérant que le fond était plat (l'influence d'un fond variable sur le champ de houle au niveau de la ferme étant alors jugé négligeable), ce qui permet de calculer facilement et rapidement le champ de vagues et les interactions grâce à l'utilisation de la théorie linéaire potentielle. Une application pratique de cette méthode est le calcul du rendement d'une ferme de SREVs, et l'optimisation de leurs positions relatives au sein d'un parc. Dans le cadre de la théorie linéaire, cette thèse propose une méthodologie de couplage originale entre un code de tenue à la mer (Aquaplus) et un code de propagation de la houle en zone côtière (Artemis), laquelle a été développée et qualifiée. Les simulations réalisées montrent que, pour une configuration de ferme de SREVs donnée, on ne peut pas toujours négliger les effets de la bathymétrie. Par exemple, la présence d'une plage de pente 10% au large d'une ferme de SREV peut modifier la hauteur des vagues de manière significative, et affecter ainsi le rendement de la ferme de manière significative par rapport au cas où le fond est uniformément plat. A l'échelle côtière régionale, il est aussi intéressant de simuler et prédire l'impact de fermes de SREVs sur le champ de vagues. Pour des raisons d'efficacité, une approche à phases moyennées de modélisation des vagues a été privilégiée, fondée sur le code spectral d'états de mer Tomawac. La représentation des effets d'un SREV à travers l'utilisation d'un terme puits (concept permettant de soustraire au spectre d'énergie d'état de mer local l'énergie correspondant à celle absorbée par le SREV), bien qu'incomplète du fait que les effets de radiation/diffraction ne sont pas pris en compte, a été étudiée et testée. Une nouvelle méthodologie prenant en compte ces effets dans un code spectral est présentée ici et testée, avec l'objectif de pallier à ces limitations. Les discussions sur la validité de deux approches permettent d'esquisser des pistes de développements ultérieurs pour la représentation des fermes de SREV à l'échelle régionale

This thesis focuses on the development of a set of numerical tools to simulate different aspects of the wave-body interactions applied to the exploitation of wave energy converters (WEC). It was conducted under the ANR Monacorev project (project-ANR11 MONU-018-01, 2012-2015).The objective is to address the issue of the interactions at the scale of a farm of WECs (≈ 1 km), and to study the impact of one or more WEC farms at the regional scale (≈ 10km ) on the total wave field. Modeling and simulation methods adapted for each of these two scales are developed. Until now, the interactions between WECs was often studied by considering that the bottom was flat (the influence of a variable bathymetry on the wave field at the farm site being considered to be negligible), allowing to easily and quickly calculate the wave field and interactions through the use of linear potential theory. A practical application of this method is the yield estimation for a WEC farm and the optimization of the WEC position within a park. In the framework of the linear theory, this thesis proposes an original coupling methodology between a seakeeping (Aquaplus) and a wave propagation code in coastal areas (Artemis), which was developed and qualified. Simulations show that, for a given WEC farm configuration, effects of the bathymetry cannot systematically ignored. For example, the presence of a 10% slope close to a WEC farm can significantly modify the wave height, and thus affect the performance of the farm by several percent compared to the case with a uniformly flat bottom. At the regional coastal scale, it is also interesting to simulate and predict the impact of WEC farms on the wave field. At this scale, for efficiency reasons, a phase-averaged simulation of waves was preferred, based on the sea state spectral code TOMAWAC. The representation of the effects of a WEC through the use of a sink-term (concept for subtracting the energy equivalent to that absorbed by the WEC to the sea state energy spectrum), though incomplete due to the fact that the scattering effects are not taken into account, has been studied and tested. A new methodology taking into account these effects in a spectral code is presented here and tested with the aim to overcome these limitations. Discussions on the validity of these approaches allow us to propose possible future developments for the modeling of WEC farm at the regional scale