Le département Mécanique des Fluides, Energie et Environnement (MFEE) d’EDF Recherche et Développement développe des compétences en mécanique des fluides appliquées à la modélisation d’écoulements atmosphériques pour l’étude et l’évaluation du productible éolien. Il travaille, entre autres, sur la modélisation des conditions météorologiques (vitesses de vent, turbulence, température, etc.) en présence d'une ferme éolienne pour ainsi estimer la puissance fournie.
Afin de répondre à cet objectif, le département MFEE développe le code de mécanique des fluides numérique code_saturne doté d’un module pour les écoulements atmosphériques. Avec une mise en données adaptée, le code est capable de modéliser une ferme éolienne, en représentant finement le champ de vent. Néanmoins, il existe des limitations sur la représentation de la turbulence de l’écoulement et les effets induits par la force de poussée générée par l’éolienne.
L’objectif de ce stage serait de proposer des améliorations de modélisation afin de prédire avec une plus grande précision l’écoulement autour d’une éolienne avec code_saturne et ainsi améliorer les estimations de production électrique pour des conditions météorologiques données.

Modélisation du sillage des éoliennes par la méthode « Actuator disk »
L’un des plus gros défis pour la simulation d’éoliennes est de représenter de façon précise le sillage situé en aval. Le sillage est la zone caractérisée par un déficit de vitesse et une forte énergie cinétique turbulente derrière les pales.
Dans code_saturne, la présence de l’éolienne est modélisée par l’ajout d’un terme source dans les équations de quantité de mouvement représentant la force de poussée induite par l’éolienne sur l’écoulement. Cette méthodologie s’apparente à placer un disque poreux (actuator disk) dans l’écoulement et ainsi produire un sillage en aval de l’éolienne. A ce jour, les modélisations de fermes éoliennes avec code_saturne sont réalisées au moyen de la résolution d’équations aux dérivées partielles (conservation de la masse, quantité de mouvement et énergie) sur un maillage avec une approche volumes finis. L'air est considéré comme une phase continue décrite par des champs moyens (moyennes temporelles au sens de Reynolds -- modèles RANS), et la turbulence représentée par la résolution des équations d'énergie cinétique et de dissipation turbulente, dites k-ε. Les conditions météorologiques sont injectées par conditions aux limites au bord du domaine. Les effets d'écoulements comme le sillage et leurs interactions (lorsque plusieurs éoliennes sont présentes) sont alors naturellement représentés par les équations couplées.

Après une première phase de bibliographie et une prise en main du code, l’étudiant.e devra mettre en place des simulations d’écoulement autour d’une éolienne et des outils de post-traitement des résultats. 

Il sera question d’identifier des cas de validation pour mesurer l’effet de sillage, de proposer des nouvelles paramétrisations des modèles de turbulence issus de la recherche bibliographique, d’implémenter des termes sources pour l’actuator disk dans l’équation de transport de l’énergie cinétique turbulente et de comparer les résultats obtenus aux données de validation.

Le/la stagiaire devra être intéressé.e par la compréhension physique des phénomènes atmosphériques, en particulier la modélisation de la turbulence, et devra justifier de sa capacité de développement de code (python, C).

Compétences Mécanique des fluides, Modélisation de la turbulence, Programmation C

Stage de fin d'étude Ingénieur ou équivalent Master II
Durée 5-6 mois

Unité d’accueil EDF - Recherche & Développement
Département Mécanique des Fluides Energies et Environnement
78400 CHATOU
RER Ligne A - Station Rueil Malmaison
Responsables à contacter : Antoine MATHIEU