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France – Vendredi 19/4/2019 – energiesdelamer.eu. J- 28 jours pour répondre à l’appel à proposition de mener une thèse relative à l’hydrolien sur la « Caractérisation expérimentale de la turbulence hydrodynamique régie par les courants de marée, en présence ou non d’onde de surface et/ou d’obstacles ».

 

 

 

Cette thèse sera menée à la Sorbonne Université en partenariat avec l’IFREMER (Boulogne-sur-mer). La sélection de l’étudiant(e) doit se faire avant le 17 mai pour que le dossier administratif de l'étudiant(e) retenu(e) puisse être envoyé avant le 22 mai.

Le directeur de thèse est direction éventuelle : Grégory GERMAIN (IFREMER)
Collaborations dans le cadre de la thèse : IFREMER (Boulogne-sur-mer)

Rattachement à un programme :

Cotutelle envisagée :

Laboratoire : Institut Jean Le Rond d’Alembert, équipe MPIA Etablissement de rattachement : Sorbonne Université, CNRS, UMR 7190

Dans un contexte de transition énergétique, de nombreux travaux sont entrepris pour le développement des Energies Marines Renouvelables. Or, le comportement de ces structures est fortement régi par la turbulence rencontrée dans le milieu, dont les caractéristiques conditionnent les échanges d’énergies aux échelles micro et macroscopiques.

Encore aujourd’hui la turbulence, dans les sites en présence de forts courants, de houle et/ou d’une bathymétrie complexe est très mal connue. Dans un premier temps, des données existantes de mesures simultanées de vitesse et d’efforts sur une hydrolienne seront exploitées afin de caractériser l’influence de l’écoulement turbulent (pour une bathymétrie donnée) sur son rendement. Des outils d’analyse mathématique (POD, Ondelettes, Estimation Stochastique) seront utilisés pour effectuer des analyses instantanées et statistiques (corrélation, cohérence) permettant de relier la turbulence (tourbillons, taux de turbulence) aux efforts mesurés. Dans un second temps, des expériences spécifiques seront effectuées en bassin et représentatives d’écoulements turbulents perturbés ou non par des ondes de surface et/ou d’obstacles, dans le but de caractériser expérimentalement la turbulence depuis la génération de structures tourbillonnaires ou non jusqu’à la dissipation d’énergie.

Différents moyens de mesure 3D du champ de vitesse réalisés à hautes fréquences (ADV, LDV et PIV) seront mis en œuvre. Il s’agira alors de développer des outils et méthodes d’analyses spatio-temporelles afin de caractériser la turbulence notamment le développement (zone logarithmique) de la couche limite. Les effets d’échelle et les transferts d’énergie au sein d’écoulement régis par les courants de marées seront évalués ainsi que l’impact de la turbulence sur le comportement de structures marines comme par exemple les hydroliennes.

Ecole doctorale SMAER
Sciences Mécaniques, Acoustique, Electronique, Robotique

Sujet développé

Dans un contexte de transition énergétique, les Energies Marines Renouvelables (EMR) ont connu un engouement considérable ces dernières années. Disposant de ressources importantes et d'une connaissance a priori des courants de marée, le milieu marin constitue un environnement propice aux développements de projets EMR et plus particulièrement ceux associés aux structures marines (profil portant, hydroliennes) exploitant les courants marins. Mais les sites identifiés où il existe de forts courants présentent des écoulements marins turbulents fortement dépendant de la bathymétrie (relief des fonds marins) et soumis aux effets de la houle. Ces écoulements instationnaires sont fortement intermittents en espace et en temps avec des variabilités spatiales notamment verticales des échelles spatio-temporelles pouvant aller de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres (observation de ‘boils’ à la surface des mers/océans). Les caractéristiques de ces écoulements vont alors notablement conditionner les échanges d’énergies aux échelles micro et macroscopiques et le rendement des structures marines. Sachant que ces caractéristiques dépendent fortement des conditions aux limites (fond rugueux, houle, vitesse d’écoulement, ...), les travaux de thèse proposent d’étudier cette turbulence hydrodynamique régie par les courants de marée, en présence ou non d’onde de surface et/ou d’obstacles afin de mieux appréhender les écoulements marins et leurs potentielles interactions avec les structures marines (voir graphe de droite sur la figure). De telles études peuvent être reliées aux travaux effectués de façon similaire pour caractériser les interactions ‘écoulements turbulents-éoliennes’ [9].

 

 

Objectifs de la thèse : Les questions soulevées dans le cadre de cette thèse sont donc les suivantes : quel est l’impact des variabilités d’un écoulement turbulent sur le fonctionnement d’une hydrolienne ? et de façon plus générale, quels sont les effets d’une bathymétrie complexe et/ou de la houle sur les caractéristiques de l’écoulement turbulent en termes notamment d’intensité turbulente et de mouvements tourbillonnaires organisés (structures cohérentes) ? Plus précisément, il s’agira d’analyser les hétérogénéités locales de l’écoulement (modification de la couche limite due à une bathymétrie complexe, dissipation de l’énergie cinétique turbulente, transfert d’énergie entre les échelles spatio-temporelles de l’écoulement, ...) afin de pouvoir mettre en place des outils prédictifs pour un fonctionnement optimal des structures marines en fonction des caractéristiques (vitesse, houle, bathymétrie) des courants marins.

Figure 1. Gauche: Vue du bassin d’essai de Boulogne-sur-Mer (IFREMER) visualisant l’interaction écoulement-hydrolienne. Droite : Représentation schématique extraite de [6] de l’écoulement turbulent impactant une hydrolienne.

Les travaux de thèse proposés vont tout d’abord s’intéresser à l’impact de l’écoulement turbulent sur le fonctionnement d’une hydrolienne afin de déterminer ce qui, au sein d’un écoulement turbulent, est le plus préjudiciable pour le fonctionnement optimal d’une hydrolienne. Il s’agit ainsi de déterminer les caractéristiques de l’écoulement (taux de turbulence, passage de gros tourbillons aléatoirement ou périodiquement, cisaillement, échelles spatio-temporelle, ...) à l’origine des principales modifications des efforts exercés par le fluide sur les pâles de l’hydrolienne.


Une thèse déjà en cours

Une thèse en collaboration entre l’IFREMER et Sorbonne Université, actuellement en cours (soutenance prévue en octobre 2019) a permis de générer de nombreuses bases de données expérimentales.

Celle-ci ont été obtenues dans le bassin à houle et courant de l’IFREMER à Boulogne-sur-mer où une hydrolienne (échelle 1/20) a été positionnée au sein de l’écoulement turbulent se développant en aval d’un obstacle cylindrique représentant une variation de la bathymétrie. Des mesures du champ de vitesse seul par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV pour Particle Image Velocimetry) ont montré dans le cadre de cette thèse l’existence de gros tourbillons (appelés ‘boils’) remontant jusqu’à la surface de l’eau [2,3] en aval de l’obstacle.

D’autres mesures pas encore pleinement exploitées, ont été réalisées en présence d’une hydrolienne : il s’agit de mesures simultanées du champ de vitesse (par PIV) et des efforts créés par l'écoulement turbulent sur l’hydrolienne en fonctionnement. Pour étudier les interactions entre l’écoulement et les efforts exercés, les champs de vitesses devront tout d’abord être décomposés en différentes contributions : une composante moyenne, une composante cohérente (tourbillon) et une composante incohérente. Différents outils mathématiques seront appliqués afin d’extraire de ces signaux de vitesse la contribution associée aux tourbillons, qu’il s’agisse de tourbillons périodiques (Transformée de Fourier) ou non-périodiques (ondelettes [4]) et/ou de tourbillons énergétiques (Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres, POD). Ensuite, des analyses des données de vitesse et des efforts mesurés simultanément seront menées à partir des données instantanées (vitesse-effort) et à partir d’analyses statistiques telles que les corrélations [6] et la cohérence entre les vitesses de l'écoulement et les efforts mesurés sur les pâles de l'hydrolienne. A partir de la décomposition des vitesses, l’Estimation Stochastique Linéaire (LSE) [1] sera appliquée afin d’identifier les efforts associés à la contribution cohérente et/ou incohérente. Ces premières investigations devraient permettre de répondre à des premières interrogations sur les paramètres de l’écoulement altérant le fonctionnement de l’hydrolienne, et de mettre en place les outils d’analyse pour caractériser l’écoulement tridimensionnel instationnaire des fonds marins étudié ci-après.

Bien qu’il soit clairement admis que la turbulence impacte notablement les structures marines, très peu d’études ont permis de caractériser les écoulements turbulents sur des sites hydroliens potentiels. Généralement, des mesures en un point permettent de déterminer le spectre d’énergie cinétique et le niveau de turbulence en ce point sans accéder à une description spatio-temporelle satisfaisante. Or, en milieu naturel, la majorité des écoulements marins ayant lieu en présence de houle et sur un fond rugueux, présente toute une gamme d’échelles spatio-temporelle. Lorsque la variation de rugosité est brusque dans le sens longitudinal, la problématique consiste à étudier le développement d’une nouvelle couche limite turbulente au sein d’une couche limite déjà développée. Ce problème a fait l’objet de nombreuses études expérimentales et numériques, montrant notamment que la loi logarithmique classiquement utilisée pour caractériser le champ de vitesse de la couche limite n’est plus valide, entrainant une modification de la vitesse de friction et donc de la dissipation d’énergie cinétique [5].

Lorsque la variation de rugosité est dans le sens transverse, l’impact sur l’écoulement est moins bien documenté : un échange de quantité de mouvement dans la direction transverse se met en place, grâce à l’établissement de circulations secondaires ou au développement d’une couche de mélange.

Ces aspects ont été étudiés pour des applications bien spécifiques, par exemple les écoulements atmosphériques traversant des zones habitées et des zones rurales constituées de forêts ou de déserts. La rugosité de paroi est alors constituée par les différents obstacles rencontrés par l’écoulement. Il en est de même dans le cas des rivières où les fonds peuvent être constitués de galets ou de sable selon l’endroit et le type de rivière. Pour ces différents cas, la rugosité de fond nécessite une inspection approfondie afin de modéliser son influence sur la structure verticale et transversale de la couche limite.

En milieu marin ces aspects ont été considérés pour des applications précises (comme l’étude du transport sédimentaire sur des fonds complexes constitués d'un lit de crépidules ou l’étude pour les échanges océan/atmosphère), mais pas pour des zones fortement énergétiques que sont les sites d'exploitation de l'énergie des courants. Dans ces zones complexes, le lit de l'écoulement présente des rugosités de taille importante par rapport à la profondeur, nécessitant des études spécifiques de la structure de l’écoulement et des propriétés de transport associées à une distribution de rugosités complexes. Dans ces configurations, les deux processus associés à une variation longitudinale ou transverse de rugosités (couches limites verticales et de couches de mélange latérales) vont entrer en interaction. La dynamique tourbillonnaire qui en résulte est encore mal comprise tout comme celle de l’interaction entre la houle et les courants marins. Les présents travaux de thèse proposent alors la caractérisation de tels écoulements turbulents à partir d’essais en bassin. Des séries de mesures seront donc successivement réalisées dans le bassin à houle et courant de Boulogne-sur-Mer à partir de différentes rugosités représentatives de ce qui peut être observé sur des sites hydroliens.

Des techniques de mesures tridimensionnelles telles que des systèmes de vélocimétrie laser (ADV, LDV et PIV), qui n’ont encore jamais été pleinement exploitées dans ce bassin seront mises en œuvre pour une bonne description spatio- temporelle de ces écoulements turbulents fortement instationnaires perturbés ou non par des ondes de surface et/ou d’obstacles. Les outils d’analyse mentionnés précédemment (POD, ondelette, LSE, Fourier) seront alors appliqués afin de caractériser les propriétés de ces écoulements (turbulence, tourbillons, fluctuations incohérentes, ...). Différentes configurations d’écoulements seront alors considérées, basées sur des bathymétries variables, en présence ou non de houle (régulière ou non), des vitesses d’écoulement variables et différents taux de turbulence de l’écoulement amont. L’étude de l’ensemble de ces données de vitesse tridimensionnelles constituera un apport très important pour l'amélioration de la compréhension et de la caractérisation des processus 3D turbulents en présence de courant extrêmes et de bathymétries complexes en interaction avec les effets de houle. Ainsi, ces analyses conduiront par exemple à la caractérisation des effets d’échelle et des transferts d’énergie de ces écoulements turbulents et à l’estimation du taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente de ces écoulements. Ceci constituera un apport scientifique notable pour la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu permettant de proposer des améliorations des paramétrisations (frottement, coefficient de diffusivité, viscosité tourbillonnaire, ...) considérées dans les modèles numériques à grande échelle, utilisés pour concevoir les structures marines.

 

 

 

Collaboration :

Cette thèse sera effectuée en collaboration avec Grégory Germain (IFREMER, Responsable du bassin d’essai de Boulogne-sur-Mer). Il est planifié que durant cette thèse, l’étudiant(e) sera amené(e) à participer à des campagnes expérimentales au bassin d’essai de Boulogne-sur-Mer.

 

 

Référence :

[1] Druault P., Yu M. & Sagaut P. (2010) Quadratic stochastic estimation of far-field acoustic pressure with coherent structure events in a 2D compressible plane mixing layer. Int. J. Num. Meth. Fluids. 62:906-926.
[2] Ikhennicheu M., Gaurier B., Druault P. & Germain G. (2018) Experimental analysis of the floor inclination effect on the turbulent wake developing behind a wall mounted cube. Eur. J. Mech. B/Fluid, 72:340–352.

[3] Ikhennicheu M., Germain G., Druault P. and Gaurier B. (2019) Experimental investigation of the turbulent wake past real seabed elements for velocity variations characterization in the water column. Int. J. Heat Fluid Flow. In Revision. [4] Hajczak A., Sanders L. Vuillot F. & Druault Ph. (2019) Wavelet-Based Separation Methods Assessment on the near pressure field of landing gear subcomponents. 25th AIAA Aeroacoustic conf. (Delft, Pays-Bas)

[5] Lozovatsky I., Jinadasa SUP., Fernando HJS., Lee JH., & Hong CS. (2015) The wall-layer dynamics in a weakly stratified tidal bottom boundary layer. J. Marine Research 73(6):207–232.
[6] Marié S., Druault P., Lambaré H. and Schrijer, F. (2013) Experimental analysis of the pressure-velocity correlations of external unsteady flow developed over rocket launchers. Aero. Sc. Technology 30:83-93.

[7] Thomson J., Kilcher LF. & Harding S. (2014) Multi-scale coherent turbulence at tidal energy sites. Conf ICOE2014. [8] Wekesa DW, Wang C, Wei Y, Zhu E. (2016) Experimental and numerical study of turbulence effect on aerodynamic performance of a small-scale vertical axis wind turbine. J. Wind Eng. Ind. Aero. 157: 1-14.

Philippe Druault

Institut Jean Le Rond d’Alembert

Sorbonne Université  4, place Jussieu - case 162

F-75252 Paris cedex 5, France  tel:  01 44 27 54 72

Grégory Germain 33 (0)3 21 99 56 31

 


 
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