Simulation numérique des opérations d’installation pour les fermes d’éoliennes offshore

Numerical simulation of installation operations for offshore wind farms

• Auteur / Autrice : Pierre-Yves Wuillaume
• Direction : Pierre Ferrant, Aurélien Babarit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 15/01/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : René Huijsmans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ferrant, Aurélien Babarit, René Huijsmans, Laurent Julien Salomon, Erin Bachynski, Boyin Ding, Mattias Lynch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : René Huijsmans, Laurent Julien Salomon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures offshore -- Ancrage

Simulation par ordinateur

Interaction fluide-structure

Énergie éolienne en mer

Mots clés libres

Opérations marines

Câbles

Ecoulement potentiel

Weak-scatterer

Interaction fluide-structure

Marine operations

Multibody dynamics

Cable dynamics

Potential flow

Weak-scatterer

FSI

Résumé

L’éolien offshore est l’énergie marine la plus avancée et utilisée dans le monde. Afin d’accroître l’énergie extraite du vent, les dimensions des éoliennes deviennent plus importantes et les parcs éoliens sont installées de plus en plus loin des côtes, où les mers sont plus agitées et les vents plus forts. De fait, les opérations marines sont plus complexes et plus chères et les fenêtres météo sont écourtées et se raréfient. Dans le cadre de cette thèse, un logiciel de simulation numérique des opérations marines est développé, en particulier pour des applications de descentes et de remontées de colis lourds. L’Algorithme aux Corps Rigides Composites, implémenté dans le logiciel InWave, est utilisé pour modéliser le système multicorps. Un modèle de câble et de treuil est développé, suivant la théorie multicorps utilisée, et comparé à la théorie câble classique dite « lumped mass ». Les efforts hydrodynamiques ainsi que les interactions hydrodynamiques sont modélisés par une théorie potentiel instationnaire satisfaisant l’hypothèse de faible perturbation, dite « weak-scatterer ». L’approche « weak-scatterer » du logiciel WS_CN est étendue aux simulations multi-flotteurs et validée par comparaison avec des données expérimentales. InWave et WS_CN sont couplés afin de résoudre l’interaction houle-structure pour des systèmes multicorps articulés en mer. Un couplage fort est adopté pour sa robustesse. L’équation de couplage est établie et validée via des comparaisons avec WS_CN. Le logiciel ainsi crée se nomme InWaveS_CN et utilise un code d’intégration en Python. Une nouvelle stratégie de maillage, basée sur un algorithme de découpe de maillages et une méthode par avance de front, est développée dans WS_CN. Enfin, des essais en bassin d’une opération de redressement ont été menés à l’ECN. La comparaison entre les simulations numériques et les données expérimentales offre une première et prometteuse validation d’InWaveS_CN.

Offshore wind represents the most advanced and used marine energy in the world. To increase the wind power extraction, turbines grow in size and wind farms are installed further offshore in presence of rough seas and strong winds. Marine operations become more challenging and expensive, weather windows are shorter and less frequent. This PhD work focuses on the development of a numerical tool to simulate marine operations with consistency, in particular lowering and lifting operations. The Composite-Rigid-Body Algorithm, implemented in the numerical tool InWave, is used to model multibody systems. A cable model and a winch model are developed following this multibody approach and compared to the classical low-order lumped mass theory. Hydrodynamic loads and hydrodynamic interactions are simulated using an unsteady potential flow theory based on the weakscatterer hypothesis, implemented in the numerical tool WS_CN. This approach is extended to multibody simulations and validated with comparisons to experimental data. InWave and WS_CN are coupled to solve wavestructure interaction for articulated multibody systems with large relative motions in waves. A tight coupling is selected for its robustness. The coupling equation is derived and validated from comparisons with WS_CN. This leads to the creation of a new numerical tool, InWaveS_CN, using Python as glue code language. A new mesh strategy, based on the coupling between a panel cutting method and an advance front method, is developed in WS_CN. Experiments of an upending operation were conducted at Ecole Centrale de Nantes. The comparison between the numerical simulations and the experimental data leads to a first and promising validation of InWaveS_CN.