Contexte
Les études prévisionnelles relatives à l’implantation de parcs éoliens en mer utilisent des modèles d’ingénierie pour considérer les interactions des éoliennes entre elles. La représentation obtenue de ces phénomènes reste incomplète, alors que des enjeux importants sont liés à cette configuration. En particulier, le vent observé au niveau des turbines situées dans le sillage d’autres éoliennes est fortement perturbé.
Le projet ATMOSFARM se présente comme une suite logique au projet WEAMEC ECOSFARM. Au cours du projet ECOSFARM, un couplage a été réalisé entre le solveur Navier-Stokes Grid-flow (ex-WCCH) et l’outil de simulation d’éoliennes FAST. L’outil obtenu permet d’obtenir une représentation fine des écoulements au sein d’un parc éolien. Une preuve de concept a été effectuée sur un cas à échelle réduite, où des résultats très prometteurs ont été obtenus. Cependant, avant de pouvoir simuler des parcs éoliens en conditions réelles, il est nécessaire de prendre en compte une distribution réaliste du vent et de son évolution au sein du parc.
Au cours du projet ATMOSFARM, Grid-flow sera optimisé et interfacé avec le code LES du NCAR. Ce couplage permettra de simuler différents environnements atmosphériques. Dans une utilisation avec FAST, des simulations de parcs éoliens à échelle réelle pourront être réalisées. Les développements réalisés dans le cadre de ce projet permettront de rendre le couplage Grid-flow/FAST plus performant, et de faire une avancée supplémentaire pour la simulation CFD de parcs éoliens à échelle réelle.
Ruptures scientifiques et innovation
Seuls 5 autres codes ont été identifiés comme proposant des niveaux de précision et d’optimisation similaires à ceux proposé par le couplage Grid-flow/FAST. L’intérêt de Grid-flow/FAST réside dans la flexibilité qu’il apporte pour la mise en place des simulations et pour la mise en mouvement des corps simulés. Ce deuxième point donne un potentiel important pour la simulation d’éoliennes flottantes, ce qui pourrait être le cadre d’un projet futur.
Impact technique et économique attendu
Les développements prévus dans le cadre du projet ATMOSFARM doivent permettre d’obtenir un simulateur capable de simuler précisément des interactions entre éoliennes à échelle réelle. La valorisation des développements obtenus se fera via NextFlow Software, qui distribue Grid-flow.
Dates clés du projet
- Juin 2021 - Démarrage du projet
- Novembre 2021 - Schémas numériques optimisés et validation à échelle réduite réalisée
- Novembre 2021 - Obtention d’une couche limite atmosphérique validée à échelle réelle, et démonstrateur
Démonstrateur
Le projet ATMOSFARM se base sur le couplage Grid-flow/FAST développé dans le cadre du projet ECOSFARM, qui prouvé la capacité de cet outil à simuler des interactions de sillage entre éoliennes à échelle réelle.
Résultats
Décembre 2021
Au cours des 6 derniers mois, les travaux se sont concentrés sur la prise en main et l’optimisation du couplage Gridflow/FAST.
- Un dispositif de reprise de calcul en cours a été mis en place, ce qui est nécessaire dans le cadre de simulations à grande échelle
- Les simulations ont été optimisées à différents points.
- Les dispositifs de post-processing ont été parallélisés.
Suite à ces développements, une validation a été effectuée sur des cas académique à échelle réduite. Les cas des BlindTest version 1 (Krogstad et al, 2013), 2 (Pierella et al, 2014) et 3 (Krogstad et al, 2015), qui fournissent des données expérimentales d’éoliennes en soufflerie, ont été utilisés.
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Les résultats obtenus dans le cadre du BlindTest 1 ont montré une précision intéressante quand on s’éloigne de l’éolienne. Les résultats obtenus dans le sillage proche restent perturbés, en raison de l’utilisation d’une méthode Actuator Line.
- Les résultats obtenus dans le cadre du BlindTest 2 montrent une précision satisfaisante. On observe aussi une amélioration de la qualité des résultats en comparaison à ceux obtenus durant le projet ATMOSFARM. Ces différences s’expliquent par l’amélioration du schéma de résolution de Gridflow, ainsi que par la correction de bugs dans le couplage Gridflow/FAST.
- Les résultats préliminaires obtenus dans le cadre du BlindTest 3 montrent des écarts importants par rapport aux résultats expérimentaux. Des travaux sont en cours afin d’améliorer la prise en compte des interactions entre éoliennes.
Des comparaisons ont également été faites afin de mesurer l’influence des schémas de reconstruction des gradients.
Le dernier point concerne le passage à un schéma temporel purement implicite. Des travaux préliminaires afin d’adapter ce schéma au contexte du couplage Gridflow/FAST sont en cours.
Perspectives
L’implémentation d’un outil pour la simulation de couche limite atmosphérique lève la dernière barrière pour passer à la simulation de plusieurs éoliennes à échelle réelle. Les développements futurs pourront s’orienter vers la simulation d’éoliennes flottantes.
