Simulations CFD avec adaptation de maillage anisotrope : application à la simulation d’éoliennes offshore

CFD simulation with anisotropic mesh adaptation : application to floating offshore wind turbines

• Auteur / Autrice : Louis Douteau
• Direction : Luisa Alexandra Rocha da Silva, Jean-Christophe Gilloteaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 05/03/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Calcul Intensif (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Coupez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luisa Alexandra Rocha da Silva, Jean-Christophe Gilloteaux, Thierry Coupez, Elie Hachem, Grégory Pinon, Sandrine Aubrun-Sanches
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Hachem, Grégory Pinon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures offshore

Éléments finis, Méthode des

Équations de Navier-Stokes -- Solutions numériques

Interaction fluide-structure

Méthodes des frontières immergées

Énergie éolienne en mer

Modélisation CFD

Mots clés libres

CFD

Équations de Navier-Stokes

Frontières immergées

Éoliennes flottantes

CFD

Navier-Stokes equations

Immersed boundaries

Floating wind turbines

Résumé

Le calcul des performances et des efforts appliqués sur une éolienne offshore est actuellement réalisé à l'aide d’outils basés sur des approches quasi-statiques. Ces approches sont intéressantes pour leur vitesse de calcul, elles sont cependant perfectibles suivant la méthode de mise en oeuvre et suivant les cas de chargement étudiés. Une approche alternative consiste à utiliser la modélisation CFD. Cette thèse s’intéresse à des méthodes d’une haute précision, ayant le potentiel de fournir des écoulements et efforts précis. La plateforme logicielle hautement parallélisée ICI-tech est utilisée dans cette thèse. Elle se base sur une résolution des équations de Navier-Stokes dans une approche multi-échelle, effectuée à l’aide d’éléments finis stabilisés. La représentation des phases dans le domaine de calcul est réalisée grâce à une méthode frontières immergées. Des implémentations ont été réalisées dans ICI-tech afin de pouvoir simuler des éoliennes flottantes. L’interaction fluide-structure et un bassin de houle numérique ont notamment été considérés. Un processus de vérification et validation s’est intéressé au comportement du solveur dans des conditions reproduisant celles impactant des éoliennes flottantes. Le niveau de précision atteint par les écoulements à haut Reynolds et la propagation de champs de houle s’est avéré être décevant. L’influence du maillage anisotrope sur les résultats obtenus a été quantifiée. Plusieurs pistes visant à améliorer la précision des simulations ont été introduites.

The simulation of Floating Offshore Wind Turbines (FOWTs) is a tool to help this technology reach an industrial scale. Nowadays, low-precision numerical methods are used for the dimensioning of the structures, as they involve a reduced computational effort. This PhD thesis focused on the development of highly-accurate numerical methods, with a potential to provide a thin description of the flows and efforts around FOWTs. The simulations presented in this thesis have been realized on the highly-parallelized software platform ICI-tech. A resolution of the Navier- Stokes equations in a Variational MultiScale formulation is performed using Stabilized Finite Elements. The representation of the different phases in the computational domain is achieved using immersed boundary methods. Several numerical tools have been implemented in ICItech towards an application to the simulation of FOWTs. A fluid-structure interaction paradigm has been set up, and a numerical wave tank has been defined. Verification and validation studies have been realized to assess the solver results for environmental conditions representative of those observed for operating FOWT. The accuracy achieved for both the aerodynamics at high Reynolds numbers and the propagation of wave fields has been disappointing. The influence of the anisotropic meshing on the results presented has been quantified. Several options aiming at increasing the accuracy of the simulations have been discussed.