Lattice Boltzmann methods for wind energy applications: aero-elastic wind turbine modelling in an atmospheric boundary layer

L’écoulement au sein d’une ferme éolienne est complexe et difficile à prédire. Sa compréhension est cependant primordiale pour le design et l’optimisation des parcs. Pour le design, des modèles analytiques, très rapides, sont utilisés. Cependant, ces modèles sont trop peu précis pour donner une estimation fiable de la production, et doivent être améliorés. Les imprécisions viennent notamment du manque de compréhension physique (turbulence de sillages, effets thermiques, superposition de sillages).
En vue d’améliorer ces modèles, il est au courant d’avoir recours à des simulations haute-fidélité, basées sur les modèles LES. Certains solveurs modélisent les turbines à l’aide de méthodes type « ligne actuatrice » (AL), mais peuvent également prédire des écoulements de type couche limite atmosphérique avec un niveau de résolution suffisant pour nos applications. Cependant, le coût calcul de telles simulations reste trop élevé, et il est compliqué d’utiliser ces codes dans le cadre d’études paramétriques ou encore pour la simulation de fermes complètes. Pour de telles configurations, il faut prendre en compte les tourbillons atmosphériques (échelle du kilomètre) mais également les principaux tourbillons présents dans les sillages, de l’échelle du mètre.
Nous proposons dans cette thèse de poursuivre le développement d’une fonctionnalité « couche limite atmosphérique » dans le code open-source waLBerla (FAU, Erlangen), basé sur une approche LES Lattice Boltzmann. Ce code permet des simulations avec un temps de restitution proche du temps réel. Des fonctionnalités proches de celles de SOWFA (librairie la plus utilisée dans la communauté éolienne) sont visées. Nous visons des temps de calcul bien plus faibles. La méthode AL est d’ores et déjà implémentée et a été validée. En revanche, beaucoup de travail reste à faire pour envisager de simuler des couches limites atmosphériques. C’est donc l’objectif fixé dans le cadre de cette thèse. 

Mots-clés : Wind energy, wind farm, Atmospheric-Boundary-Layer, Lattice Boltzmann, HPC