Extension d’un solveur Lattice Boltzmann pour la simulation d’éoliennes

Réf. R044-CL-F-BLONDEL 01/12/2016

Stage - Sciences des Matériaux

Localisation : Hauts-de-Seine

Début : entre mars et juillet 2017
Durée : 5 mois
Indem. : Oui

IFP Energies nouvelles

IFP Energies nouvelles est un organisme public de recherche, d’innovation industrielle et de formation intervenant dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. Sa mission est d'apporter aux acteurs publics et à l'industrie des technologies performantes, économiques, propres et durables pour relever les trois grands défis sociétaux du 21e siècle : changement climatique et impacts environnementaux, diversification énergétique et gestion des ressources en eau. Son expertise est internationalement reconnue.

IFP Energies nouvelles poursuit 5 priorités stratégiques, indissociables et complémentaires dans l'accomplissement de sa mission d’intérêt général :

  • Produire à partir de sources renouvelables des carburants, des intermédiaires chimiques et de l'énergie
  • Produire de l’énergie en réduisant l’impact sur l’environnement
  • Développer des transports économes et à faible impact environnemental
  • Produire à partir de ressources fossiles des carburants et intermédiaires chimiques à faible impact environnemental
  • Proposer des technologies respectueuses de l'environnement et repousser les limites actuelles des réserves d'hydrocarbures

Son école d'ingénieurs, partie intégrante d'IFP Energies nouvelles, prépare les générations futures à relever ces défis.

Extension d’un solveur Lattice Boltzmann pour la simulation d’éoliennes

 

Au cours des dernières années, IFP Energies nouvelles a travaillé sur la modélisation des éoliennes offshore flottantes, notamment dans les domaines de l’hydrodynamique, de l’aérodynamique et de l’aéroélasticité. IFPEN a notamment enrichi le logiciel DeepLines en lui apportant la modélisation aérodynamique dans un module Wind. Ce dernier permet d’utiliser des  modèles de type Blade Element Momentum, ainsi que de coupler des codes s’appuyant sur des méthodes vortex à sillage libre, plus avancées.

Ce stage s’inscrit dans le cadre du développement de modèles aérodynamiques pour l’éolien, en vue d’être utilisés avec le code DeepLines Wind. Récemment, IFPEN s’est intéressé à la modélisation des sillages proches et lointains à l’aide de modèles analytiques et de modélisations CFD. La plupart des codes CFD s’appuient sur des méthodes éléments finis ou volumes finis. On se propose ici d’utiliser un autre type de solveur, se basant sur les méthodes Boltzmann sur réseau.

L’objectif de ce stage est de prendre en main un code bidimensionnel développé en interne pour des écoulements de Stokes. Ce code devra être, dans une première partie du stage, étendu à des écoulements de type Navier-Stokes incompressibles. Cependant, la résolution fine des écoulements proche-parois est très couteuse.

C’est pourquoi, dans une seconde partie du stage, on se propose d’étendre le solveur à l’aide de techniques dites d’ « Actuator Line », couramment utilisées dans l’éolien. Le principe est simple : les pales de l’éolienne sont remplacées par une ligne portante, le long de laquelle les caractéristiques aérodynamiques sont connues. Tout l’enjeu est alors de coupler la ligne portante à l’écoulement moyen, à l’aide de termes sources.

Dans ce stage, on se restreindra à des écoulements bidimensionnels afin de réduire les temps de calculs, simplifier les développements ce qui laissera le temps pour la réalisation de différents tests. On se penchera particulièrement sur le cas de profils d’ailes statiques, puis en rotation autour d’un axe central, afin de modéliser une éolienne verticale.

Travaux à réaliser :

  • Extension d’un solveur LBM pour les écoulements de Stokes à des écoulements Navier-Stokes incompressibles.
  • Etude de faisabilité de la mise en œuvre de méthodes « Actuator Line » en deux dimensions dans le solveur.
  • Etude de cas : profil d’aile dans un écoulement, éolienne verticale.
  • Comparaison avec un approche vortex / sillage libre.

Au regard du sujet proposé, le niveau et les compétences suivantes sont demandés :

  • Niveau bac+5, ingénieur ou master 2.
  • Connaissances en mécanique des fluides et aérodynamique.
  • Bonnes connaissances des langages objets C++ et/ou Python.
  • Attrait pour le développement informatique et la recherche.

Localisation : Rueil-Malmaison

Mots-clés : Lattice Boltzmann, Eolien, Sillages, DeepLines Wind

Contact

IFP Energies nouvelles
Frédéric BLONDEL
1&4, avenue de Bois-Preau
92852 Rueil-Malmaison cedex
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