Interaction des vagues avec les fondations d'éoliennes offshore en zone côtière - effets de la non-linéarité des vagues, du déferlement et de la structure complexe de l'écoulement

Wave interaction with offshore wind turbine foundations in the coastal zone - effects of wave non-linearity, wave breaking and complex flow structure

• Auteur / Autrice : Wenhao Zhang
• Direction : Jeffrey Harris, Michel Benoit
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LHSV - Laboratoire Hydraulique Saint Venant

Mots clés

Mots clés libres

Déferlement des vagues

Interaction fluide-structure

Éoliennes en mer

Mécanique des fluides

Wave breaking

Offshore wind turbines

Fluid mechanics

Fluid-structure interaction

Résumé

Ce sujet de thèse approfondit les recherches menées au LHSV ces dernières années sur les structures support des éoliennes offshore (OWT), en utilisant des modèles, des simulations numériques et des tests en laboratoire sur des modèles réduits. Les principaux objectifs de la thèse sont d'améliorer notre compréhension des processus physiques dominants et notre capacité à les modéliser numériquement, en se concentrant sur les aspects suivants : · Hydrodynamique à proximité des fondations des éoliennes offshore, pour les fondations fixes (par exemple, monopiles, structures gravitaires (GBS) ou de type jacket) en profondeur moyenne (typiquement inférieure à 50 m), en tenant compte des effets non-linéaires des vagues pour les vagues extrêmes. Le déferlement des vagues, qui produit des pressions et des forces d'impact transitoires mais très intenses sur la fondation, sera également étudié. L'accent sera mis sur l'écoulement autour de la fondation, la caractérisation du champ de vorticité induit par la présence de la structure, et le possible déferlement des vagues. · Chargements sur la structure, y compris la pression sur les parois de la structure, les forces et moments totaux, et leur estimation à partir des conditions hydrodynamiques incidentes, en utilisant des méthodes de simulation et des outils de complexité croissante. En particulier, les composantes non-linéaires des efforts (au moins d'ordres 2 et 3) et les effets impulsionnels induits par les impacts des vagues de déferlement seront caractérisés. · Réponse dynamique de la structure à ces chargements. Cette réponse sera d'abord étudiée en considérant une structure rigide. Dans un deuxième temps, le comportement hydro-élastique sera abordé, en tenant compte des modes de déformation de la structure.

This thesis subject pursues research undertaken at the LHSV in recent years on OWT support structures, using both modelling and numerical simulations and laboratory tests on reduced-scale models. The main objectives of the thesis are to improve our knowledge of both the dominant physical processes and the capacity to model them numerically, concerning the following aspects: (1) the hydrodynamics in the vicinity of OWT foundations, for fixed monopile foundations (e.g. gravity base structure (GBS) or jacket type) in finite water depth (typically less than 50 m), taking into account the non-linear effects of waves for design cases in extreme waves. Wave breaking of steep waves, causing transient but very intense impact pressures and forces on the foundation, will be studied too. The focus will be on the 3D structure of the wave-induced flow around the foundation, the characterisation of the vorticity field induced by the presence of the structure, and the possible breaking of the strongest waves. (2) the loads on the structure, including the pressure map on the structure's walls, total forces and moments, and the possibility of estimating them from the incident hydrodynamic conditions, using simulation methods and tools of increasing complexity. In particular, the non-linear components of the loadings (i.e. of orders 2 and 3 at least) and the impulsive effects induced by breaking wave impacts will be characterised. (3) the dynamic response of the structure to these loads. This response will be first studied considering a rigid mode behaviour. In the second step, the hydro-elastic behaviour, considering the deformation modes of the structure, will be addressed.