A numerical tool for the frequency domain simulation of large clusters of wave energy converters

par Francesc Fabregas Flavia

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides

Sous la direction de Alain Clément.

Le président du jury était Pierre Ferrant.

Le jury était composé de Alain Clément, Pierre Ferrant, Frédéric Dias, Masashi Kashiwagi, Bernard Molin, Julien Salomon.

Les rapporteurs étaient Frédéric Dias, Masashi Kashiwagi.

  • Titre traduit

    Développement d’un modèle numérique pour la simulation des grandes fermes de houlomoteurs


  • Résumé

    Plusieurs convertisseurs d’énergie houlomotrice composés d’un grand réseau compact O(100) de petits flotteurs ont été proposés comme étant des systèmes avantageux pour l’extraction de l’énergie des vagues et représentent une alternative aux technologies basées sur un seul flotteur de plus grande taille. Leur capacité d’extraction d’énergie ayant été prouvé, l’accent est désormais mis sur l’optimisation pour adapter le coût de l’électricité produite aux tarifs du marché. L’un des défis les plus importants auxquels la modélisation numérique de ces systèmes houlomoteurs fait face est le calcul des interactions hydrodynamiques entre le grand nombre de sous-unités de production d’énergie qu’ils contiennent. En effet, les capacités des logiciels standards basés sur l’approche Boundary Element Method pour le calcul de l’interaction houle/structure sont largement dépassées quand un nombre de flotteurs O(100) est atteint. L’implémentation d’une méthode basée sur une théorie d’interaction plus adapté au problème de diffraction multiple s’avère donc indispensable. Cette nouvelle approche, connue sous le nom de Direct Matrix Method, permet de réduire le nombre d’inconnues du problème d’interaction traditionnel en se basant sur la connaissance de la manière dont un convertisseur d’énergie houlomotrice diffracte et génère des vagues. L’accélération apportée par l’outil mis en place a permis de modéliser et optimiser un houlomoteur composé d’une soixantaine d’unités de type flotteur pilonnant. On a montré qu’il existe un nombre optimal de flotteurs pour une empreinte du dispositif donnée. Dépasser l’optimum entraîne une perte de performance nuisible à sa viabilité économique.


  • Résumé

    Compact arrays of small wave absorbers constitute an example of the multiple existing categories of wave energy converters (WECs) and have been identified as being an advantageous solution for the extraction of wave energy when compared to a big isolated point absorber. Among the numerous challenges associated with the numerical modeling of such devices, one of the most relevant one is the evaluation of the hydrodynamic interactions amid the large number of floats O(100) they are composed of. Direct computations with standard Boundary Element Method (BEM) solvers, used extensively in wave/structure interaction problems, become prohibitive when the number of bodies increases. Thus, there is a need to employ an alternative approach more suitable for the study of the multiple-scattering in large arrays. In this work, the Direct Matrix Method interaction theory has been implemented. Based on characterizing the way a WEC scatters and radiates waves, this methodology enables one to significantly reduce the number of unknowns of the classical boundary value problem dealt with by standard BEM solvers and, therefore, the computational time. The acceleration provided by the numerical tool developed has allowed examining the power capture of a generic bottom-reference heave-buoy array WEC and optimizing its layout. We have shown that there exist an optimum number of floats for a given device footprint. Exceeding this number results in a “saturation” of the power increase which is undesirable for the economic viability of the device.


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