Méthodes et Outils Numériques d'Aide a la Conception de Récupérateurs de l'Énergie des Vagues – MONACOREV

Par leurs spécificités, les systèmes houlomoteurs nécessitent de mettre en œuvre des méthodes et algorithmes innovants dans le champ de la simulation numérique en hydrodynamique. En ce qui concerne les mouvements de grande amplitude, des approches basées sur des théories non linéaires et faiblement non linéaires ont été identifiés comme de bonnes candidates, à condition de leur apporter des corrections empiriques nécessaires à la prise en compte des effets de dissipation visqueuse (lâchers tourbillonnaires notamment). Pour le calage de ces corrections empiriques, on a souhaité évaluer le potentiel de la CFD.
En ce qui concerne les interactions de vagues dans les parcs, et l’effet des parcs sur la climatologie régionale de houle, la mise en œuvre d’un couplage entre des approches spectrales ou moyennées sur la colonne d’eau, et des approximations de champ lointain pour la représentation des machines houlomotrices sont prometteuses.

Pour la modélisation à l'échelle de la machine, une base données de coefficients d'amortissement visqueux en écoulement oscillant a été réalisés pour des formes classiques de systèmes houlomoteurs à l'aide de la CFD. L'avancement dans le développement des simulateurs de la tenue à la mer en grands mouvements des machines sous hypothèses complétement et faiblement non linéaires est satisfaisant.

Pour la modélisation des parcs et de leur impact, il est apparu rapidement que l'approche multipolaire était une impasse en raison de la convergence lente des séries pour les grands nombres d’onde. Elle a été écartée au profit d’une approche utilisant la ‘plane wave approximation’ qui permet une accélération considérable des temps de calcul par rapport à l’approche directe, tout en maintenant la précision. Cette approche permet également un couplage naturel avec les outils de propagation de houle grâce à l'utilisation de stratégies de décomposition de domaine. Elle consiste à créer des « îles » (fictives) dans le maillage de l'outil de propagation de houle sur les frontières desquelles est imposé le potentiel obtenu à partir des fonctions de champ lointain (fonctions de Kochin) représentatif des systèmes houlomoteurs. Les premiers résultats sont très encourageants et la suite des travaux devrait confirmer le potentiel de la méthode.

A terme, le projet doit permettre de fournir aux développeurs de technologies houlomotrices une nouvelle classe d’outils de simulation numérique en hydrodynamique adapté à ce type d’application, et contribuera donc au développement de cette filière d’énergie renouvelable.

1. J. Singh, A. Babarit (2013) A fast approach coupling BEM and plane wave approximation for hydrodynamic analysis of distant spaced multiple bodies. Submitted for publication in Ocean Engineering.
2. O. Thilleul, A. Babarit, A. Drouet, S. Le Floch (2013) Validation of CFD for the determination of damping coefficients for the use of wave energy converters modelling. In Proc of the ASME 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2013), 9-14 Jube 2013, Nantes, France
3. A. Babarit, M. Folley, F. Charrayre, C. Peyrard, M. Benoit (2013) On the modellling of WECs in wave models using far field coefficients. In Proc. of the 10th European Wave and Tidal Energy Conference (EWTEC’2013), 2-5 September 2013, Aalborg, Danemark
4. L. Letournel, P. Ferrant, A. Babarit, G. Ducrozet (2012) Développement d’un outil de simulation numérique basé sur l’approche Weak-Scatterer pour l’étude des systèmes houlomoteurs en grands mouvements : expression analytique des équations intégrales pour une discrétisation linéaire de la géométrie. Actes des 13èmes Journées de l’Hydrodynamique, 21-23 Novembre 2012, Chatou, France.

Parmi les Energies Marines Renouvelables (EMR), la ressource « énergie des vagues » présente un gisement énergétique considérable. Cependant et malgré le grand nombre de technologies qui ont été proposées par le passé ou sont en cours d’étude actuellement, aucune technologie houlomotrice n'a encore prouvé sa supériorité sur les autres et ne s'est imposée comme la solution technologique. Il y a à cela plusieurs raisons, dont une bonne part résulte des problématiques hydrodynamiques spécifiques et originales, et différentes selon les échelles du problème :
• A l’échelle des machines houlomotrices (~100 m), il s’agit de la tenue à la mer de flotteurs animés de mouvements de grande amplitude en conditions opérationnelles.
• A l’échelle des parcs de machines (~1 km), la problématique est celle de la modélisation des interactions de vagues lorsque le parc est composé d’un grand nombre de systèmes.
• A l’échelle régionale (~10 km), il s’agit d’évaluer l’impact des parcs sur la climatologie de vagues et leur production d’énergie, ainsi que l’impact des parcs sur les conditions hydrodynamiques et morpho-sédimentaires en zone littorale.
A l’heure actuelle, les outils classiques d’aide à la conception en Génie Océanique ne permettent pas de traiter ces problématiques de manière satisfaisante, parce que les incertitudes sont trop grandes (échelle des machines) ou parce que les méthodes ne conviennent pas (échelle des parcs et échelle régionale). L’objectif de ce projet est donc de développer une nouvelle classe d’outils adaptés à cette problématique multi-échelles.
Les approches de modélisation seront basées, selon les échelles considérées, sur des méthodes potentielles non-linéaires, la méthode multipôle, les équations de Berkhoff ou l’équation d’évolution de la densité spectrale d’action d’onde. Si ces méthodes existent sur le papier, leurs mises en œuvre numériques ne sont pas ou peu matures, en particulier dans le cadre de l’application houlomotrice. De plus, les couplages ou interfaçages de ces outils –fondamentaux pour que les différentes échelles puissent communiquer entre elles– permettront de réaliser une chaîne de calcul intégrée couvrant l’ensemble de la problématique, depuis les effets locaux au voisinage d’une machine jusqu’à la prédiction de l’impact potentiel d’un parc à une échelle régionale.
Les outils seront validés par confrontation avec des données expérimentales, obtenues hors de ce projet dans le cadre des collaborations prévues avec les Universités de Ghent (Gand) en Belgique et d’Edimbourg au Royaume-Uni. Au final, ces outils d’aide à la conception représenteront une aide précieuse pour les développeurs de projets houlomoteurs. Ils permettront la conception de fermes houlomotrices optimisées d’un point de vue de leur capacité de production, et ayant des impacts maîtrisés et limités sur les conditions hydro-sédimentaires locales et régionales. En leur fournissant des outils adaptés aux spécificités de ces technologies, permettant d’analyser et comparer les performances et les impacts des machines et des parcs sur les sites envisagés pour le déploiement, on contribuera ainsi à la réduction des durées et des coûts dans les phases de conception et d'optimisation.