Modélisation de l'affouillement au pied d'une éolienne en mer
Résumé
L’affouillement est un processus d’érosion d’un ensemble de particules solides qui sont déplacées sous l’effet de l’écoulement d’un fluide. La présence d’un obstacle, tel que la structure d’une éolienne en mer posée sur le fond marin, provoque une modification locale de l’écoulement : les lignes de courant se contractent sur les côtés de la structure, des tourbillons de sillage (lee-wake vortices) sont émis à une certaine fréquence et surtout des tourbillons en fer à cheval (horseshoe vortices) se forment devant le pied de la structure et s’étendent sur ses côtés. Ces tourbillons creusent le fond marin, créant un affouillement supplémentaire, dit local, conduisant à l’exposition des fondations de la structure, ce qui met en péril sa stabilité. Pour réduire l’affouillement local, des contre-mesures (enrochements, matelas en béton, etc.) sont mises en place au pied de la structure de l’éolienne en mer afin de diminuer la mobilité des sédiments. Aujourd’hui, ces protections anti-affouillements nécessitent un suivi et un entretien régulier coûteux. Une meilleure compréhension du phénomène de l’affouillement et de son interaction avec les protections permettrait une réduction des coûts associés. L’objectif de cette thèse est de développer un outil de simulation CFD de prédiction de la dynamique de l’affouillement local au pied d’un modèle d’éolienne en mer à échelle réduite. L’approche n-Euler développée dans le code multiphasique neptune_cfd a été retenue car elle permet de représenter l’écoulement diphasique complexe situé au niveau supérieur du lit, où le transport de sédiments a principalement lieu. De plus, cette approche n’est pas limitée en termes de coût CPU par le nombre de particules à représenter. En premier lieu, la simulation de configurations d’affouillement 2D a été menée et comparée à des données expérimentales afin d’évaluer les capacités du code neptune_cfd. Qualitativement, la fosse d’affouillement est reproduite. Quantitativement, nous observons que le taux d’affouillement, initialement cohérent, diminue de façon prématurée. Par conséquent, la profondeur finale d’affouillement est sous-estimée. Des configurations plus académiques d’écoulement liquide-solide dense et quasi-statique ont été mises en place. Ces configurations, allant de la formation d’un lit statique à sa mise en mouvement, d’abord par un écoulement de Couette dans le régime laminaire, puis le long d’un plan incliné dans le régime turbulent, ont permis de valider la modélisation eulérienne des contacts longs entre particules, d’implémenter un modèle de viscosité effective fluide et d’adopter un modèle de dissipation de l’agitation des particules par friction lors de collisions entre particules. Enfin, l’écoulement turbulent autour d’un modèle d’éolienne en mer, c’est-à-dire un cylindre vertical posé sur le fond, a été étudié. La modélisation URANS de la turbulence avec un modèle du second ordre est satisfaisante en termes de précision et de coût CPU pour l’application visée. La simulation de l’affouillement autour de ce cylindre a révélé les mêmes difficultés rencontrées lors des premières simulations d’affouillement, où la profondeur d’affouillement est sous-estimée. Les résultats sont discutés et des possibilités d’amélioration sont proposées.
Jury :
- Anne Claire BENNIS, Professeur des Universités, M2C, membre du jury
- Julien Chauchat, Directeur de Recherches, INRAE, rapporteur
- Kamal El Kadi Abderrezzak, Ingénieur Chercheur, CNR, membre du jury
- Philippe Gondret, Professeur des Universités, FAST, rapporteur
- Stéphane Popinet, Directeur de Recherches, ∂’Alembert, membre du jury Stéphane Besnard, Ingénieur, EDF Re, membre invité
- William Benguigui, Ingénieur EDF, Co-encadrant
- Jérôme Laviéville, Ingénieur EDF, Co-encadrant
- Olivier Simonin, Professeur des Universités, INP-ENSEEIHT, IMFT, Co-directeur de thèse
- Pascal Fede, Maître de Conférences, Université de Toulouse, IMFT, Directeur de thèse
