Date de début du contrat : octobre 2026 – Durée : 36 mois
Le doctorant sera rattaché à l’école doctorale Physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (PSIME) – ED 591
Afin d’atteindre la neutralité carbone, plusieurs nouvelles énergies renouvelables ont émergées ces dernières années. Parmi elles, l’énergie hydrolienne marine est une technologie prometteuse. Elle est basée sur l’extraction de l’énergie cinétique contenue dans les courants de marée. Actuellement, la filière énergétique hydrolienne marine en est à la phase de construction des premières fermes pilotes de moins de 10 machines. Les technologies les plus avancées sont des machines tournantes à axe vertical ou horizontal. Cette énergie renouvelable est prédictible, à la différence d’autres sources d’énergie renouvelable comme le solaire, l’éolien ou le houlomoteur. Le caractère prédictible de la ressource est important car il permet aux futurs exploitants de parc hydrolien d’estimer la quantité d’énergie produite, et donc la rentabilité d’une telle installation. Il existe plusieurs facteurs pouvant dégrader cette prédictibilité. Au-delà des problèmes mécaniques liés au fonctionnement (étanchéité, panne, rupture…), l’une des principales sources de divergence avec le prédictible est l’influence des fluctuations de l’écoulement sur l’hydrolienne. Ces fluctuations ont plusieurs origines. La première, étudiée depuis plusieurs années par notre équipe, est la turbulence ambiante. La seconde vient des perturbations de l’écoulement créées par les vagues et la houle. L’influence des vagues et de la houle sur les hydroliennes est un sujet de recherche récent. Il a été montré par plusieurs études, expérimentales et numériques, que la houle a une influence sur les efforts que subissent les hydroliennes. Leurs sillages sont également impactés. Du fait du caractère aléatoire des vagues, il est difficile avec des campagnes en mer de mesurer cet impact à l’échelle réelle, encore moins à l’échelle d’un parc. Le but de cette thèse est de développer un outil permettant une prédiction numérique du phénomène. Cet outil permettra d’étudier les effets de vagues extrêmes sur un parc de machines placé dans des conditions réalistes de site incluant la turbulence et la morphologie des fonds marins. L’impact sur le productible, les efforts et le placement relatif des machines sera alors quantifiable, ce qui aidera aux futures installations de fermes.
La turbulence ambiante des sites à fort potentiel hydrolien a été étudiée au cours des travaux de thèse de Philippe Mercier [1]. Ces travaux ont été réalisés avec une approche instationnaire haute résolution LBM-LES utilisant la librairie open-source PaLaBoS [2]. La thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR-FEM THYMOTE piloté par le LUSAC. Les travaux de thèse ont ensuite été poursuivis en post-doc dans le projet TIGER. Ces études ont permis de valider l’approche LBM-LES pour la caractérisation fine d’un site hydrolien [3]. Elles ont également montré des liens forts entre des phénomènes extrêmes de turbulence (des courants instantanés très puissants) et la morphologie complexe des sites hydroliens (fosses, failles…) [4]. Il a été montré que notre outil à haute résolution LBM-LES était ici adapté pour prédire des phénomènes ayant un caractère très localisé et pouvant influencer le fonctionnement des turbines.
Parallèlement à ces travaux, une modélisation LBM-LES des hydroliennes à axe horizontal de type TGL a été développée au cours de la thèse CIFRE/SIREHNA de Mikaël Grondeau [5]. Les pales étaient représentées dans la simulation à l’aide de la méthode des frontières immergées dans un calcul dit à pales résolues [6]. Puis, au cours d’un post-doc dans le cadre du projet OCEANQUEST, la technologie des turbines à axe vertical a été abordées. L’objectif était d’étudier une turbine de type HYDROQUEST à deux colonnes contrarotatives. Une méthode de ligne d’action a été mise au point pour représenter les pales [7]. Une application sur des fermes pilotes de 3 et 4 turbines a été réalisée et les résultats de cette étude ont été publiés [8,9]. Cette modélisation, au-delà de la validation de la méthode, a permis d’étudier l’influence de la turbulence ambiante sur différentes technologies de turbines.
Ces études ont démontré qu’il est capital de prendre en compte les effets de la turbulence ambiante sur les machines si l’on souhaite prédire le comportement des hydroliennes in-situ. La turbulence étant instationnaire et dépendante du site [4], voire même de l’emplacement au sein du site, une approche instationnaire haute résolution telle que la LBM-LES est fortement recommandée.
Les perturbations liées à la houle sont moins étudiées mais des publications récentes mettent en évidence un impact non-négligeable sur les machines. Parmi ces études on peut notamment citer les travaux de Moreau et al. 2023 [10] qui ont observé une augmentation de l’amplitude des fluctuations des efforts sur une machine à axe vertical. Les effets de la houle sur le sillage de la même turbine ont été étudié par Linant et al. 2025 [11]. Ouro et al. 2024 [12] ont utilisé un modèle LES avec surface libre pour étudier l’impact de la houle sur une maquette de turbine à axe horizontal. Ils ont observé que la houle entrainait des oscillations verticales du sillage. Une seule turbine a été étudiée mais il est évident que ce phénomène impacterait des turbines placées en aval. Tout comme la turbulence de site, caractériser ce phénomène requiert une approche instationnaire haute résolution. L’influence sur le sillage et les performances à l’échelle d’un parc avec les effets combinés de la turbulence est pour l’instant inconnu.
L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence de la houle et du courant sur une hydrolienne à échelle 1:1, puis sur un parc de plusieurs turbines dans des conditions réalistes telles que celles du Raz Blanchard, zone sur laquelle nous travaillons depuis plusieurs années [13,14,15].
L’approche choisie est une approche numérique utilisant la méthode de Boltzmann sur réseau ou LBM, couplée à de la simulation des grandes échelles de la turbulence, ou LES, pour réduire le coût en calcul de la modélisation. La majorité des calculs LBM-LES réalisés au laboratoire l’ont été avec la librairie open-source PaLaBos. La thèse se déroulera sur cet outil et le doctorant bénéficiera de l’expertise de notre équipe.
Dans un premier temps nous allons développer un outil de modélisation de la surface libre et de la houle avec l’approche LBM-LES utilisée au laboratoire. Cet outil pourra notamment s’appuyer sur la méthode Volume Of Fluid (VOF) déjà existante au sein de la librairie PaLaBoS, mais non validée pour la simulation de houle. Une fois l’outil validé, des hydroliennes seront ajoutées à la modélisation avec des méthodes déjà maîtrisées dans l’équipe. Cette modélisation pourra être validée avec des résultats d’expériences de la littérature à l’échelle d’un canal telle que celle de [10]. Nous placerons alors la turbine à l’échelle 1:1 dans les conditions du Raz Blanchard et/ou du site d’essais de Paimpol Bréhat. L’ajout de turbulence ambiante et d’une morphologie de fond à ce modèle devrait alors permettre d’évaluer les performances d’une hydrolienne dans des conditions de houle et courant proches de la réalité.
Cette dernière phase sera adaptée à l’étude de l’influence de la turbulence et de la houle sur le phénomène de décrochage dynamique. Peu de travaux existe sur l’influence de la houle et de la turbulence sur le décrochage dynamique dans un contexte hydrolien. Les travaux de développement de notre outil LBM-LES lors de cette thèse pourraient alors être utilisés afin de mieux décrire cette influence.
Contact : sylvain.guillou@unicaen.fr & mikael.grondeau@unicaen.fr
Pour candidater : https://doctorat.campusfrance.org/CF202648026
Lieu de la thèse : LUSAC site de Cherbourg
