Investigation of Floating Offshore Wind Turbine Hydrodynamics with Computational Fluid Dynamics

Afin d’acceder a un vent plus fort et plus regulier loin des cotes, et de s’affranchir des contraintes liees a la profondeur, de nombreux projets sont en cours pour developper l’eolien flottant. Dans les logiciels de dimensionnement, deux theories hydrodynamiques sont imposees pour predire les chargements dus a la houle : la theorie lineaire potentielle et la formule empirique de Morison. Historiquement utilisees dans le secteur petrolier, l’applicabilite de ces theories dans le cadre de l’eolien flottant peut etre questionnee. La formule de Morison initialement etablie pour un cylindre infini, immerge, perpendiculaire a l’ecoulement, est desormais appliquee a un flotteur de forme complexe. Les coefficients de Morison sont extraits de bases de donnees experimentales et certaines simplifications sont realisees comme utiliser un seul jeu de coefficients pour toute lastructure et pour des etats de mer differents. C’est pourquoi, l’hydrodynamique d’un flotteur d’eolienne est etudiee dans cette these avec un outil complementaire : la mecanique des fluides numerique (ou CFD, Computational Fluid Dynamics). L’objectif est d’evaluer, ameliorer et adapter la formule de Morison pour la prediction des chargements hydrodynamiques dans le cadre de l’eolien flottant. En premier lieu un bassin a houle numerique est defini, avec le code libre de CFD OpenFOAM, dans lequel des houles regulieres sont generees, propagees et absorbees. L’elevation de la houle a la future position du flotteur ainsi que la variation de la hauteur de houle le long du bassin sont analysees afin d’eviter tout phenomene de reflexion ou d’amortissement. Des criteres adimensionnels sont etablis pour definir un bassin numerique pour differents types de houles regulieres. Par la suite, le flotteur est inclus dans le bassin numerique et trois differentes houles regulieres sont modelisees : une operationnelle, une intermediaire et une extreme. Nous developpons une methode des tranches pour determiner les coefficients de Morison pour chaque bracon a partir des forces issues des simulations numeriques, donnees non accessibles experimentalement. Cette methode evalue precisement les forces et les coefficients directionnels associes en prenant en compte la variation des forces le long du bracon et au sein du flotteur. L’impact de la structure et l’orientation complexe du bracon sont inclus dans le calcul des coefficients de Morison. Cependant, la forte influence de l’interface sur les forces des bracons inclines et percant l’interface ne peut pas etre correctement predite en appliquant la formule de Morison. Enfin, des variations importantes des coefficients deMorison pour les trois houles au sein de la structure sont observees.