Acoustique des éoliennes - Etude numérique

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un organisme public de recherche, d’innovation et de formation dont la mission est de développer des technologies performantes, économiques, propres et durables dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. 

IFPEN met à disposition de ses chercheurs un environnement de recherche stimulant, avec des équipements de laboratoire et des moyens de calcul très performants.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

• l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
• la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Acoustique des éoliennes

Le bruit des éoliennes est l'un des principaux motifs de contestation lors de l'implantation de parcs éoliens. Le prédire de façon fiable est donc un enjeu à la fois scientifique et opérationnel. Les modèles de propagation acoustique et les outils réglementaires actuels reposent sur des profils atmosphériques moyens et négligent les fluctuations turbulentes. Or la turbulence peut modifier sensiblement les niveaux reçus, en particulier là où ils sont faibles en moyenne (minima d'interférence, zones d'ombre), et elle introduit des fluctuations temporelles du niveau qui contribuent à la gêne ressentie [1].

Objectifs

Le stage vise à étudier numériquement l'effet d'une turbulence atmosphérique synthétique sur la propagation acoustique. L'étude analysera séparément son influence sur chacun des grands phénomènes de propagation [2]. Elle déterminera aussi combien de réalisations turbulentes sont nécessaires pour estimer correctement cet effet.

Le travail s'appuiera sur WindFarmNoise, code de propagation développé au Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA) [3]. Ce code résout une équation parabolique grand angle. La démarche s'inspire de Chevret et al. [4] : la turbulence est représentée par des réalisations d'un champ aléatoire, et la propagation est calculée pour chacune d'elles. Des moyennes d'ensemble permettent ensuite d'estimer non seulement le niveau sonore moyen, mais aussi sa variabilité et sa distribution statistique (écart-type, quantiles). La méthode sera validée par comparaison avec les résultats de la littérature.

Le ou la stagiaire commencera par générer des champs de vent turbulents synthétiques à l'aide d'un outil existant. Il ou elle vérifiera leurs propriétés statistiques (moyenne, variance, fonctions de corrélation, spectre spatial) pour s'assurer que les paramètres imposés sont bien reproduits. Ces champs seront ensuite superposés au profil de vent moyen et introduits en entrée de WindFarmNoise. Il faudra pour cela analyser la façon dont le code met à jour l'indice de réfraction et interpole le champ de vent, et l'adapter si nécessaire pour que les petites échelles turbulentes soient correctement résolues.

L'influence de la turbulence sera ensuite étudiée séparément pour chaque phénomène de propagation, sur sol plat : les interférences entre l'onde directe et l'onde réfléchie par le sol, en atmosphère homogène ; la réfraction vers le bas ; et la réfraction vers le haut, avec la formation d'une zone d'ombre. Pour chaque cas, on fera varier l'intensité turbulente et la longueur de corrélation, puis, selon l'avancement, la fréquence acoustique et la distance de propagation. Une attention particulière sera portée à la convergence statistique : pour un nombre croissant de réalisations, on suivra l'évolution de la moyenne, de l'écart-type et de quantiles du niveau sonore.

Missions

• Étude bibliographique, prise en main de WindFarmNoise et reproduction de cas de référence sans turbulence.
• Génération de champs de vent turbulents synthétiques avec l'outil existant et vérification de leurs propriétés statistiques.
• Analyse de la mise à jour de l'indice de réfraction et de l'interpolation du champ de vent dans le code, et adaptation si nécessaire pour résoudre les petites échelles turbulentes.
• Introduction des champs turbulents en entrée de WindFarmNoise et validation par comparaison avec la littérature.
• Étude de l'influence de la turbulence pour chaque phénomène de propagation (interférences, réfraction vers le bas, zone d'ombre) et pour différents paramètres turbulents.
• Étude de la convergence statistique et du compromis entre précision des estimations et coût de calcul.
• Synthèse des résultats dans un rapport de stage et, selon les résultats, préparation d'une communication scientifique.

Compétences développées :

Acoustique, méthodes numériques de propagation, modélisation stochastique et traitement statistique, calcul scientifique sur un code de recherche.

Profil recherché :

Étudiant·e en Master 2/école d’ingénieur (ou équivalent) en mécanique des fluides (aérodynamique) ou acoustique.

• Compétences requises :
  • Mécanique des fluides (aérodynamique)
  • Acoustique environnementale
  • Turbulence
  • Analyse statistique
  • Python
  • Anglais
  • Compréhension d’articles scientifiques
• Seront également valorisés :
  • Connaissance en sciences atmosphériques
  • Attrait pour l’éolien
  • Intérêt pour la recherche

Modalités pratiques :

• Durée du stage : 6 mois pendant printemps/été 2027 (date de début flexible).
• Lieu : IFPEN Rueil-Malmaison (92) ou IFPEN Solaize (69)
• Indemnisation : 1130€/mois (brut)
• Prise en charge à 65% des frais de transports en commun
• Restaurant d’entreprise
• Accessible aux personnes à mobilité réduite
• Encadrement :
  • Elina Cros (IFPEN)
  • Alice Nassor (IFPEN)
  • Erwan Jézéquel (IFPEN)

Références

[1] Kayser, B. (2020), Estimation des incertitudes de modélisation du bruit des éoliennes (Doctoral dissertation, Le Mans université).

[2] E Barlas, W J Zhu, W Z Shen and S J Andersen, (2016) Wind Turbine Noise Propagation Modelling: An Unsteady Approach, Journal of Physics: Conference Series 753 (2016) 022003

[3] Colas, J. (2024). Numerical investigation of wind turbine and wind farm noise propagation in different atmospheric and topographic conditions (Doctoral dissertation, Ecole Centrale de Lyon).

[4] Chevret, P., Blanc‐Benon, P., & Juvé, D. (1996). A numerical model for sound propagation through a turbulent atmosphere near the ground. The journal of the Acoustical Society of America, 100(6), 3587-3599.

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