Pour le type d’outil que nous visons, nous souhaitons être capable de prendre en compte les hydroliennes de la manière la plus précise possible tout en conser-vant des temps de calcul raisonnables. En effet, le but est de prédire la production énergétique des fermes d’hydroliennes en fonction de leur agencement. Dans cette optique, nous souhaitons être en mesure de représenter le plus fidèlement possible
les comportements des hydroliennes (phénomènes de rotation de sillage, effets de la houle sur les hydroliennes, ...) pour que l’outil puisse traiter le maximum de confi-guration d’écoulements et s’adapter aux situations réelles. Nous avons donc choisi d’utiliser les méthodes actuatrices car elles présentent un niveau de discrétisation des hydroliennes suffisamment grand pour le type d’outil que nous visons tout en limitant les temps de calculs en comparaison avec les méthodes classiques maillées. Pour permettre de résoudre l’écoulement fluide, nous avons choisi d’incorporer ces modèles actuateurs à un solveur permettant de résoudre les équations de Navier-Stokes tri-dimensionnelles. Ce choix aurait pu être considéré comme audacieux il y a encore dix ans, mais il semble aujourd’hui tout à fait pertinent. En effet, depuis une dizaine d’années les moyens de calculs connaissent un essor tout à fait remarquable, aussi bien au niveau quantitatif par la croissance du nombre de centres de calculs et leur ouverture plus générale aux laboratoires scientifiques de tous bords qu’au niveau structurel par l’amélioration des technologies au sein même des calculateurs. Par conséquent, les codes de calculs scientifiques évoluent de façon notable et nous voyons apparaître aujourd’hui, une nouvelle génération de codes de calculs hautes performances (HPC), qui s’adaptent à ces infrastructures de calcul de plus en plus puissantes.
Suivant cette mouvance, le Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Éner-gétique et Environnement Atmosphérique de l’École Centrale de Nantes (LHEEA), développe depuis plusieurs années une nouvelle gamme d’outils de simulation en hydrodynamique qui résolvent les équations de Navier-Stokes. Ces outils sont clai-rement orienté HPC et utilisent des librairies MPI (Message Passing Interface) ou/et OpenMP (Open Multi-Processing) pour leur fonctionnement parallèle. Ils per-mettent, suivant leur formalisme, d’aborder différentes thématiques de l’hydrodyna-mique.
Par exemple, le code de calcul SPH-flow [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40], développé au laboratoire depuis 15 ans, est basé sur une méthode particulaire lagrangienne sans maillage à résolution temporelle explicite. Il a pour vocation la résolution des écoulements multi-physiques à dynamique rapide.
Le code ISIS-CFD [41] [42] [43] [44] [45], développé au laboratoire depuis 2001, utilise une discrétisation volumes finis généralisée aux maillages déstructurés, une résolution temporelle implicite et une prise en compte de la surface libre par mé-thode VoF, est un code généraliste qui permet de résoudre les cas d’étude classiques d’hydrodynamique navale comme la tenue à la mer des structures, la résistance à l’avancement et la manœuvrabilité.
Plus récement, le code WCCH [46] [47], utilise une discrétisation volumes finis. Développé depuis 6 ans, il représente la nouvelle génération de codes CFD développés par le LHEEA. Ce code utilise une résolution temporelle explicite, ce qui permet de développer son architecture et ses fonctionnalités plus rapidement et de manière plus simple. Il est à grille purement cartésienne, d’ordre spatial élevé, et la prise en compte de frontières est réalisée par une méthode de frontières immergées. Enfin, il résoud les équations de Navier-Stokes avec une approche faiblement compressible, et est dédié à des applications massivement parallèles.
précédemment. Il représente donc le support des travaux de recherche présentés tout au long de ce manuscrit de thèse.
Plutôt que de choisir un code de recherche développé en interne comme base de notre travail, notre choix aurait pu se porter sur un code industriel commercial ou encore sur un code open-source avec un formalisme semblable (ou plus avancé) pour résoudre l’écoulement. Dans ce cas, le travail fourni pendant ce doctorat se serait borné au développement de modèles d’hydroliennes et leur couplage avec un code déjà existant validé sur un grand nombre d’applications. Nous aurions alors pu directement valider ces développements en les testant avec différentes méthodes de prise en compte de la turbulence, en comparant les différents modèles de machines, et en travaillant directement sur la génération de profils d’écoulements turbulents et la prise en compte de la topographie du fond marin.
Au contraire, nous avons choisi d’utiliser et de développer un code de recherche interne au laboratoire pour plusieurs raisons :
-Le formalisme propre à WCCH est unique en son genre et son originalité corres-pond à notre vision concernant le développement d’un outil de simulation de fermes d’hydroliennes. En effet, les codes industriels et open-source utilisent des schémas de discrétisation spatiale d’ordre 2, et sont donc par conséquent plutôt diffusifs. En choisissant un schéma de discrétisation spatiale d’ordre plus élevé, une meilleure précision est attendue pour l’advection de sillages.
-Il est également très difficile de trouver un outil massivement parallèle opti-misé, à grille strictement cartésienne et structurée. Ces deux propriétés, qui sont celles du code WCCH, permettent d’accélérer les simulations tout en conservant sa caractéristique peu diffusive.
-La propriété explicite en temps de WCCH semble présenter un avantage face aux codes industriels et open source qui sont majoritairement implicites. Elle impose des pas de temps relativement petits et permet donc de discrétiser la rotation des pales d’une hydrolienne de manière précise.
-Enfin, un point très important : le code développé est entièrement maîtrisé. En effet, chacune des briques qui composent WCCH a été développée au sein du LHEEA au cours de deux doctorats qui ont donné lieu à des publications et manuscrits de thèses documentés et validants [46], [47]. Nous évitons ainsi une utilisation en «boîte noire».
Ceci se traduit par le fait que nous avons la possibilité de modeler le code et d’en faire un outil dédié et optimisé pour les applications hydroliennes, en incluant directement en son sein des modèles de génération de turbulence et en simplifiant la prise en compte de la topographie des fonds marins. Cela permet également de développer des sorties et visualisations propres aux applications hydroliennes, tout en facilitant l’expérience de l’utilisateur à travers une mise en place sur mesure des simulations.
Globalement cet outil est encore au stade de prototype et une partie de ce doc-torat a été consacrée à son développement de manière collaborative avec d’autres chercheurs du laboratoire.