Modélisation de fermes éoliennes en couches limites atmosphériques non-neutres par la méthode Lattice Boltzmann

Le design et l’optimisation de fermes éoliennes requiert l’utilisation de modèles analytiques permettant de décrire l’écoulement au sein de celles-ci sans nécessiter de longs temps de calcul. Du fait notamment de l’augmentation continue de la taille des rotors, ces derniers interagissent de plus en plus avec la couche limite atmosphérique (CLA). Des modèles « haute-fidélité » rapides mais prenant en compte ces interactions sont nécessaires pour mettre au point, améliorer et calibrer les approches analytiques. Les approches basées sur les équations de Navier-Stokes sont trop lentes et rendent trop coûteuse la génération de bases de données nécessaires pour la mise au point de ces modèles. 
Afin de relever le défi de réalisation de simulations haute-fidélité avec des temps de calculs raisonnables, nous proposons dans ce travail de doctorat l’utilisation des méthodes Lattice - Boltzmann et le code waLBerla-wind. Ces méthodes sont très efficaces, notamment sur GPU. Des travaux préliminaires ont permis d’intégrer une modélisation d’éoliennes à l’aide de disques et/ou lignes actuatrices. De même, l’introduction de lois de parois adaptées a permis également la modélisation de couches limites neutres idéalisées. L’objectif de la présente thèse est d’enrichir les capacités de l’outil en prenant en compte la stabilité atmosphérique (transferts de chaleur dans la couche limite atmosphérique) et la modélisation de terrains complexes. 
L’impact de la stabilité atmosphérique est primordial : en conditions stables (flux de chaleur turbulent négatif au sol), la turbulence est réduite et les sillages se propagent loin en aval des rotors. A l’inverse, en conditions instables (flux de chaleur turbulent positif au sol), de larges tourbillons se forment et engendrent de fortes ondulations du sillage, qui se dissipent alors rapidement. Par ailleurs, en conditions stables, le sommet de la CLA est relativement bas, créant un effet de blocage global de l’écoulement, impactant fortement les performances des fermes. Potentiellement, des ondes de gravité peuvent apparaître. La partie terrain complexe, quant à elle, permettra de prendre en compte l’effet des côtes sur les champs offshores, ou plus simplement de l’orographie dans le cas de fermes onshore. 

Mots clefs : Eolien, fermes éoliennes, couches limites atmosphériques, méthodes Lattice Boltzmann.

• Directeur de thèse    Pr. Simon MARIÉ, CNAM, simon.marie@lecnam.net, ORCID : 0000-0002-4965-9987
• Ecole doctorale    ED432 SMI, Université HESAM
• Encadrant IFPEN    Dr. Frédéric BLONDEL, ORCID : 0000-0002-3252-2781
• Localisation du doctorant    IFPEN, Rueil-Malmaison, France 
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2025 (3 novembre 2025)
• Employeur    IFPEN
• Qualifications    Master en Mécanique des Fluides.
• Connaissances linguistiques    Anglais niveau B2 (CECR)    

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