Développement d'un bassin à houle numérique pour l'étude des efforts hydrodynamiques en éolien flottant

Investigation of Floating Offshore Wind Turbine Hydrodynamics with Computational Fluid Dynamics

• Auteur / Autrice : Constance Clement
• Direction : Julien Reveillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 23/06/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....) - IFP Energies Nouvelles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Reveillon, Michel Benoit, Pierre Lubin, François-Xavier Demoulin, Pauline Bozonnet, Amy N. Robertson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Benoit, Pierre Lubin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Modélisation CFD

Structures offshore -- Hydrodynamique

Énergie éolienne en mer

Mots clés libres

Eolien flottant

Hydrodynamique

Mécanique des fluides numérique

Floating offshore wind turbines

Hydrodynamics

Computational fluid dynamics

Résumé

Afin d’accéder à un vent plus fort et plus régulier loin des côtes, et de s’affranchir des contraintes liées à la profondeur, de nombreux projets sont en cours pour développer l’éolien flottant. Dans les logiciels de dimensionnement, deux théories hydrodynamiques sont imposées pour prédire les chargements dus à la houle : la théorie linéaire potentielle et la formule empirique de Morison. Historiquement utilisées dans le secteur pétrolier, l’applicabilité de ces théories dans le cadre de l’éolien flottant peut être questionnée. La formule de Morison initialement établie pour un cylindre infini, immergé, perpendiculaire à l’écoulement, est désormais appliquée à un flotteur de forme complexe. Les coefficients de Morison sont extraits de bases de données expérimentales et certaines simplifications sont réalisées comme utiliser un seul jeu de coefficients pour toute lastructure et pour des états de mer différents. C’est pourquoi, l’hydrodynamique d’un flotteur d’éolienne est étudiée dans cette thèse avec un outil complémentaire : la mécanique des fluides numérique (ou CFD, Computational Fluid Dynamics). L’objectif est d’évaluer, améliorer et adapter la formule de Morison pour la prédiction des chargements hydrodynamiques dans le cadre de l’éolien flottant. En premier lieu un bassin à houle numérique est défini, avec le code libre de CFD OpenFOAM, dans lequel des houles régulières sont générées, propagées et absorbées. L’élévation de la houle à la future position du flotteur ainsi que la variation de la hauteur de houle le long du bassin sont analysées afin d’éviter tout phénomène de réflexion ou d’amortissement. Des critères adimensionnels sont établis pour définir un bassin numérique pour différents types de houles régulières. Par la suite, le flotteur est inclus dans le bassin numérique et trois différentes houles régulières sont modélisées : une opérationnelle, une intermédiaire et une extrême. Nous développons une méthode des tranches pour déterminer les coefficients de Morison pour chaque bracon à partir des forces issues des simulations numériques, données non accessibles expérimentalement. Cette méthode évalue précisément les forces et les coefficients directionnels associés en prenant en compte la variation des forces le long du bracon et au sein du flotteur. L’impact de la structure et l’orientation complexe du bracon sont inclus dans le calcul des coefficients de Morison. Cependant, la forte influence de l’interface sur les forces des bracons inclinés et perçant l’interface ne peut pas être correctement prédite en appliquant la formule de Morison. Enfin, des variations importantes des coefficients deMorison pour les trois houles au sein de la structure sont observées.

Floating Offshore Wind Turbines (FOWT) offer the possibility to harvest wind energy far offshore and thus considerably extend the potential of offshore wind energy. In the engineering tools used to design FOWT, two theories are implemented to model the hydrodynamic loads: the potential flow theory and the Morison empirical formula. Often used for offshore oil and gas systems, applying these theories to FOWT may be questionable. Since Morison formula was determined for an infinite cross-flow oriented submerged cylinder, its extension to a complex FOWT floater may trigger some uncertainties. Also, Morison coefficients come from standards obtained with various test campaigns and some simplifications are sometimes applied such as using one set of coefficients whatever the sea state. That is why, FOWT hydrodynamics is studied in this PhD thesis with a complementary tool: Computational Fluid Dynamics (CFD). The aim is to evaluate, improve and adapt the Morison formulato FOWT load prediction with CFD modelling. First, a Numerical Wave Tank (NWT) is implemented in the open-source CFD tool OpenFOAM, in which regular waves are generated, propagated and absorbed. The wave elevation at the future position of the floater and the wave height along the tank are checked to avoid any damping or reflection phenomena. Dimensionless criteria are obtained to set-up a controlled NWT for different types of waves. Secondly, the FOWT floater is included in the NWT and three different regular waves are modelled: an operational, an intermediate and an extreme wave. We develop a slice methodology to determine Morison coefficients from CFD loads locally on each brace of the floater, such data cannot be accessed in experiments. This methodology provides an accurate and detailed determination of loads, like the load variation along each brace and within the complex structure, and associated directional Morison coefficients. We demonstrate that the impact of the structure and the brace orientation can be included in Morison coefficients. However, the significant influence of the free-surface on inclined surface-piercing brace loads cannot be correctly predicted using the Morison formula. Finally, we observe significant variations of the Morison coefficientsthroughout the structure for the three waves.