Étude numérique des interactions multi-échelles écoulement-sédiment-structure par une approche multiphasique
Thèse encadrée par Julien CHAUCHAT, Cyrille BONAMY et Achim WIRTH.
Résumé
Le travail réalisé dans cette thèse a consisté en le développement et l’utilisation des modèles numériques pour étudier les interactions multi-échelles entre une éolienne offshore et la dynamique locale océanique et sédimentaire. Dans une première partie, les interactions entre le système couplé océan-sédiment et le sillage atmosphérique généré par une turbine éolienne offshore sont étudiées à l’aide d’un modèle numérique 2D développé au cours de la thèse et écrit en fortran. Ce modèle résout les équations de Barré-De-Saint-Venant pour l’océan et l’équation d’Exner pour le sédiment. Dans un seconde partie, le phénomène d’affouillement 3D autour d’un cylindre vertical est étudié à l’aide d’un modèle diphasique eulérien eulérien, sedFoam, implémenté dans la boîte à outils numériques OpenFOAM. L’approche diphasique permet de tenir compte des processus de petite échelle en s’affranchissant des hypothèses classiquement faites pour la modélisation du transport sédimentaire, notamment la corrélation locale entre le flux de sédiments et la contrainte de cisaillement fluide sur le fond.
Concernant l’impact du sillage atmosphérique généré par une turbine, nous avons montré que celui-ci peut générer des allées tourbillonnaires dans l’océan. La dynamique turbulente océanique est alors contrôlée par le paramètre de sillage S = C d D/H, où D est le diamètre du sillage au point d’impact sur la surface de l’océan, C d est le coefficient de la loi de friction quadratique entre l’océan et le fond et H la profondeur de l’océan. Une paramétrisation des flux turbulents basée sur S est proposée pour modéliser la dynamique océanique dans des modèles à plus grande échelle de type RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). Les résultats montrent que la dynamique océanique a une rétro-action sur la puissance du vent disponible. Les résultats montrent également que la dynamique sédimentaire instantanée est couplée à la dynamique océanique. Cependant, les variations de l’élévation du fond marin sont faibles (mm/mois) et l’impact morpho-dynamique du sillage est négligeable.
Concernant la simulation diphasique de l’affouillement, après une validation du modèle sur des configurations 1D et 2D, des simulations tridimensionnelles autour d’une pile cylindrique sont présentées. Dans un premier temps, une configuration sans sédiments est réalisée afin de valider la capacité du modèle de turbulence URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) développé dans ce travail de thèse à reproduire les structures tourbillonnaires responsables de l’affouillement comme le tourbillon en fer à cheval et le lâché tourbillonnaire à l’aval du cylindre. Ensuite, les premières simulations diphasiques 3D de l’affouillement autour du cylindre ont été réalisées en régime de transport de type lit-mobile. Ces simulations constitue un véritable challenge en terme calcul numérique à haute performance. La comparaison favorable des résultats de simulations avec les résultats expérimentaux de la littérature apporte la preuve de concept que l’approche diphasique est pertinente pour étudier des configurations d’écoulements complexes instationnaire et tridimensionnelle. Les résultats de simulation sont ensuite analysés pour étudier la relation entre le flux local de transport de sédiments, la valeur de la contrainte fluide sur le fond et la pente locale du lit sédimentaire. La déviation par rapport aux résultats obtenus en écoulement uniforme permet d’identifier les mécanismes prépondérant de transport associées au tourbillon en fer à cheval, à la pente de fond et aux tourbillons lâchés dans le sillage du cylindre. Les résultats obtenus montrent une sensibilité à la résolution numérique en particulier à l’aval du cylindre illustrant le besoin de réaliser des simulations des grandes échelles turbulentes diphasiques.
Mots clefs
Affouillement, transport de sédiments, écoulement diphasique, simulation numérique, turbulence.