Étude de la réponse des éoliennes flottantes par des moyens de calculs haute-fidélité

Résumé

La taille des éoliennes en mer croît rapidement afin d’augmenter les surfaces de captation des vents plus forts au large des côtes. Toutefois, avec l’augmentation de la profondeur d’eau, les designs des éoliennes en mer posées ne sont plus adaptés, ce qui conduit à privilégier les éoliennes flottantes pour des profondeurs supérieures à 50 m.

Les dimensions significatives de ces structures entraînent potentiellement des phénomènes hydro-élastiques importants dus à l’interaction entre l’eau et le flotteur, qui peuvent également affecter la réponse élastique de la tour et ne peuvent donc pas être négligés. Une conception fiable des sous-structures flottantes est nécessaire pour éviter d’exciter certaines fréquences propres aux basses et aux hautes fréquences, avec des répercussions sur le fonctionnement et la durée de vie en fatigue de l’éolienne. D’un point de vue hydrodynamique, l’étude de la tenue à la mer à l’aide de codes de calculs haute-fidélité des écoulements fluides a été réalisée par de nombreux auteurs, puis en caractérisant les contraintes fluidodynamiques par la résolution des équations de Navier Stokes à l'aide de la méthode des volumes finis. Une extension de ces modèles numériques permettrait d’intégrer aussi la flexibilité de la structure.

Le présent travail vise à reproduire les résultats obtenus expérimentalement par (LEROY et al., 2022) sur un modèle de plate-forme flexible de type SPAR dans le bassin d’hydrodynamique et de génie océanique de l’Ecole Centrale de Nantes. L’utilisation d’un modèle numérique d’haute-fidélité (CFD) sera examinée afin d’étudier la réponse dynamique mesurée lors de la campagne expérimentale.

Numerical study of the response of floating wind turbines via computational fluid dynamics

Offshore wind turbines are rapidly increasing in size to capture stronger winds further offshore. However, as water depths increase, the designs of bottom fixed offshore wind turbines are no longer suitable, thus needing floating wind turbines design for depths greater than 50 m.

The significant dimensions of these sub-structures may lead to significant hydroelastic phenomena, which can also affect the elastic response of the tower, and so cannot be neglected. Reliable design of the floating substructures is necessary to avoid exciting certain eigen frequencies at low and high frequencies, with repercussions on the operation and fatigue life of the turbine. From a hydrodynamic point of view, a number of authors has carried out the study of seakeeping using high-fidelity CFD codes, then by characterising the fluid-dynamic constraints by solving the Navier Stokes equations using the finite volume method. An extension of these numerical models would also allow the flexibility of the structure to be taken into account.

The aim of the present work is to reproduce the experimental results obtained by (LEROY et al., 2022) on a flexible SPAR platform model at the hydrodynamic and ocean engineering basin of Ecole Centrale de Nantes. The use of a high-fidelity numerical model (CFD) will be examined in order to study the floater dynamic response observed during the experimental campaign at the wave basin.

Keywords:Marine Energy and Resources, Hydrodynamics, Floating Offshore Wind Turbines (FOWT).