Contexte
La France prévoit 2 400 MW produits par des éoliennes en mer d’ici 2023.
Il existe un fort besoin d’outils capables d’optimiser la position des turbines dans une ferme : définition précise du chargement pour optimiser la structure de la turbine ; réduction des coûts de maintenance ; meilleure prévision de la production d’énergie.
Dans le projet EOS, nous proposons une approche alternative basée sur le développement d’un modèle direct CFD, associé à des formulations plus simplifiées pour réduire les coûts de calcul.
L’analyse de la dynamique autour d’une éolienne en mer (flottante ou non) est un défi qui implique l’étude des interactions entre ses divers composants, tels que les pâles, le rotor, le flotteur et les systèmes de contrôle. Cela nécessite une modélisation multiphysique incluant l’aérodynamique, l’hydrodynamique et la mécanique des structures. En outre, l’extension de ces études aux parcs éoliens devra également prendre en compte les interactions entre plusieurs éoliennes, et en particulier les effets de sillage. Les changements de vitesse (dans l’air et l’eau) et les niveaux de turbulence obtenus affectent la puissance générée par ces parcs et peuvent augmenter les chargements mécaniques sur les structures d’éoliennes placées en aval.
Aujourd’hui, les outils de conception utilisés pour la conception de parcs éoliens et le développement d’éoliennes sont perfectibles et reposent essentiellement sur des formulations empiriques de la turbulence et des interactions de sillage. Dans ce contexte, le projet EOS vise à développer un simulateur de parc éolien offshore basé sur une simulation haute fidélité des forces aérodynamiques et hydrodynamiques.
L’accès au calcul haute performance sera nécessaire pour réaliser la simulation précise des interactions fluide (air) – fluide (eau) – structure qui apparaissent à l’intérieur d’un parc éolien offshore. Ce type de simulation sera utilisé pour comprendre les phénomènes physiques complexes en interaction, pour alimenter ou recaler des modèles simplifiés utilisés en ingénierie, ou pour calculer certains points critiques pour le dimensionnement (dans des conditions extrêmes par exemple).
Ruptures scientifiques et innovation
Actuellement, des modèles simplifiés basés sur des formulations empiriques pour la prise en compte des effets de sillage et l’évolution du niveau de turbulence sont utilisés par les ingénieries de conception. Dans la cadre du projet EOS, les avancées suivantes sont visées :
- Développement d’un modèle direct, sans hypothèses simplificatrices.
- Code de CFD multiphasique massivement parallèle et très scalable associé à des moyens de calcul existants dans la région.
- Construire un simulateur qui pourra être édité, diffusé et valorisé par une PME régionale spécialisée dans les logiciels dédiés aux activités marines.
Les principales avancées scientifiques concernent la mise en place d’une approche CFD complète : aucune simplification, aucune hypothèse, une bonne précision des interactions (comme les sillages) implicitement prises en compte.
Afin de réduire les coûts de calcul, des techniques telles que l’adaptation automatique de maillages anisotropes et le calcul parallèle massif sont mises en œuvre. Le projet implique également le traitement de sujets difficiles tels que : le développement d’un solveur couplé aéro-hydro dans un contexte FSI (Fluid-Structure Interaction : corps rigide flottant et en mouvement) ; l’étude des interactions eau / air / éoliennes ; l’introduction de conditions de champ lointain et de conditions limites dans le domaine de champ proche.
En termes d’innovation, un code CFD multiphases parallèle massif, très évolutif et associé aux infrastructures de super calculateurs en Pays de la Loire est développé dans le cadre du projet EOS.
Impact technique et économique attendu
Les impacts attendus dans le cadre du projet EOS sont :
- Avancées dans la connaissance du comportement des éoliennes flottantes au sein d’une ferme vis-à-vis de leur environnement.
- Développer une expertise unique en simulation 3D précise de l’éolien offshore flottant.
Valorisation possible :
- ou par un éditeur de solutions logicielles.
- par des ingénieries pour des activités de service en conception : par exemple, des calculs aux extrêmes d’éoliennes flottantes (dont les conditions auront été définies par des codes classiques plus rapides mais moins précis), ou pour alimenter en données d’entrées ces mêmes calculs paramétriques.
Dates clés du projet
- Novembre 2016 - Lancement du projet
- Janvier 2018 - Simulateur aérodynamique et couplages
- Janvier 2019 - Simulateur hydrodynamique et couplages
- Novembre 2020 - Simulateur directe éolien offshore
Démonstrateur
Plate-forme de simulation de la dynamique des parcs éoliens offshore.
Le simulateur sera basé sur la bibliothèque ICI-tech, développée par l’Institut de Calcul Haute Performance (ICI-ECN) de l’École Centrale de Nantes et dédiée au calcul scientifique de haute performance. La mise en œuvre de la méthode EOS pour la simulation d’une ou plusieurs éoliennes flottantes et la validation finale du simulateur, en comparaison avec des résultats expérimentaux ou d’autres modèles de la littérature mais également grâce à la participation au projet IAEWind seront réalisées en collaboration avec l’équipe Energies Marines & Océan du Laboratoire d’Hydrodynamique, Énergétique et Environnement Atmosphérique (LHEEA-ECN).
Résultats
- Premières simulations CFD avec le solveur existant
- Accélération du calcul des fonctions de phase pour représenter différents domaines de la simulation
- Maillage parallèle de modèles allant jusqu’à 100 éoliennes
- Développement d’un simulateur de vent et de FSI. Etude des principales limitations.
- Développement d’un simulateur de vagues et couplage HOS. Etude des principales limitations.
- Démarrage du développement du prototype du logiciel.
| First CFD simulations with the existing solver | Acceleration of computation of the phase functions to represent different domains in the simulation |
Parallel meshing of models up to 100 wind turbines |
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| Software prototype development | Wave simulator and HOS coupling | Wind simulator and FSI |
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Publications et communications produites
Communications orales
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, Simulation numérique d’éolien offshore, Congrès Français de Mécanique, Lille (August 2017)
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, Numerical simulation of floating wind turbine using anisotropic mesh adaptation, EAWE, Cranfield (September 2017)
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, A monolithic and adaptive finite element method to simulate floating wind turbine dynamics, Simulation et Optimisation pour les Energies Marines Renouvelables, GDR EMRs, Paris (January 2018)
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, Towards offshore wind turbine numerical simulation using anisotropic mesh adaptation, Progress in CFD for wind and tidal offshore turbines, ECFD, Glasgow (June 2018)
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, Towards Numerical Simulation of Offshore Wind Turbines Using Anisotropic Mesh Adaptation, EAWE, Brussels (September 2018).
- Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, Towards Numerical Simulation of Offshore Wind Turbines Using Anisotropic Mesh Adaptation, French American Innovation Day 2019 (March 2019)
- H Digonnet, N Aissa, L Douteau and L Silva, Massively parallel anisotropic mesh adaptation applied to complex microstructures, Eccomas Thematic Conference on Adaptive Modelling and Simulation, ADMOS 2019 (May 2019)
Publications
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, Towards Numerical Simulation of Offshore Wind Turbines Using Anisotropic Mesh Adaptation, in CFD for Wind and Tidal Offshore Turbines, pp.95-104 (Springer 2019)
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, N. Aissa, A fast and parallel octree based method for multiphase flows (International Journal of High Performance Computing Applications, 2020)
- L. Douteau, L Silva, H Digonnet, T Coupez, D. Le Touzé, JC Gilloteaux, A monolithic finite element approach for IFS: application to floating structures (à soumettre, 2020)
Participation to
- Douteau L., Ecole Thématique du GDR EMR, Nantes (Octobre 2017).
- Silva L., Journée EERA JP Wind, Ecole Centrale de Nantes (Mai 2018)
Perspectives
Simulation de structures fluides / déformables; corps flottants (en cours); traitement plus précis des conditions de sillage et des limites.
Utilisation de technique d’Intelligence Artificielle (AI) et ROM (Reduced Order Modelling) pour accélérer les calculs.
