Contexte
La tendance actuelle est au développement d’éoliennes offshore de plus en plus grandes. En effet la rentabilité énergétique et économique des éoliennes augmente avec leur taille. Le record actuel est par exemple détenu par le modèle Haliade-X de General Electric, dont la taille approche celle de la Tour Eiffel, pour une puissance unitaire de 13 MW. Des éoliennes de tailles supérieures sont envisagées par les industriels du secteur.
Le développement technologique de ces éoliennes de nouvelle génération implique de nouvelles méthodes de design ; l’augmentation de la taille étant en effet limitée par la double contrainte masse résistance de la structure (55 tonnes pour chaque pale de 107 m dans le cas de l’Haliade-X) : construire des pales très rigides conduit à des masses trop importantes, tandis qu’à l’inverse des pales légères sont nécessairement plus souples. De plus en plus critique, le couplage aéro-élastique est donc à prendre en compte dès les phases de design : à la fois pour vérifier que la gamme de fonctionnement du rotor n’est pas affectée par des instabilités aéroélastiques pouvant générer des niveaux de fatigue trop importants, voire une rupture dans les cas extrêmes ; mais aussi pour exploiter le couplage directement à des fins de contrôle passif [1].
[1] Hansen, M. H., “Aeroelastic instability problems for wind turbines,” Wind Energy, vol. 10, no. 6, pp. 551–577, 2007.
Description du poste
Le sujet de stage s’inscrit dans la volonté d’IFPEN et d’INRIA d’anticiper les besoins des industriels en proposant des outils de simulation intégrant au mieux ces nouvelles contraintes. On propose ainsi dans ce stage de d’étudier une turbine générique de « nouvelle génération » d’une puissance nominale 15 MW [2] à l’aide de simulations aéro-servo-élastiques couplées. L’objectif est de tester les approches disponibles aujourd’hui et de caractériser leurs limites.
Le stagiaire devra dans un premier temps implémenter le modèle d’éolienne au sein du logiciel de simulation de référence Deeplines Wind [3]. Des calculs statiques puis dynamiques seront ensuite effectués. L’effet des différentes options de modélisation sera étudié (type de modèle aérodynamique, degré de fidélité des modèles élastiques de la structure, paramètres des solveurs et options de couplage, etc.) et validé avec les données disponibles dans la littérature. On accordera ensuite une
attention particulière à des cas « extrêmes » (vents forts, arrêts d’urgence, etc.) susceptibles de mettre en difficulté les approches standard actuelles. Les résultats de l’étude pourront être publiés.
Il est envisagé de poursuivre le stage par une thèse se concentrant plus spécifiquement sur les aspects théoriques et numériques des algorithmes du couplage aéro-servo-élastique partitionné en vue d’apporter des améliorations à la fois en termes de précision, de stabilité et de temps de calcul.
[2] E. Gaertner et al., “Definition of the IEA 15 MW Offshore Reference Wind Turbine,” International Energy Agency, 2020.
[3] Deeplines Wind – Principia : http://www.principia-group.com/blog/product/deeplines-wind/ (2020).
Modalités de candidature
Nicolas Guy nicolas.guy@ifpen.fr,
Jean-Lou Pfister jean-lou.pfister@ifpen.fr,
Michel Bergmann michel.bergmann@inria.fr
