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.

Etude de sensibilité de modèles de sillage éolien en couche limite atmosphérique

La modélisation des sillages générés par les éoliennes constitue un enjeu majeur pour la conception et l’exploitation des parcs éoliens. Les sillages entraînent une diminution de la vitesse moyenne du vent et une augmentation des fluctuations de vitesse pour les turbines situées en aval. Ils peuvent ainsi provoquer des pertes de production et accroître la fatigue des éoliennes. Une représentation fiable des sillages est donc nécessaire pour optimiser l’implantation et le pilotage des turbines, évaluer la production des parcs et améliorer leur durée de vie.

Des modèles d’ingénierie analytiques sont couramment utilisés pour représenter les sillages éoliens. Afin de maintenir un faible coût de calcul, ils reposent sur des hypothèses simplificatrices. En particulier, l’influence de la turbulence atmosphérique est très simplifiée, voir négligée. Pourtant, cette turbulence atmosphérique est dépendante de l’état de la couche limite atmosphérique (CLA) : on parle de différence de régimes de stabilité atmosphérique.

De plus, dans certaines conditions atmosphériques, un phénomène de méandrement (oscillations à basse fréquence) de sillage apparaît sous l’effet des grandes structures turbulentes de la CLA. Des modèles de sillages récents de la littérature [1,2,3] ou développés en interne à IFPEN proposent de prendre en compte certaines caractéristiques de l’atmosphère pour mieux modéliser le méandrement.

Mission et programme de travail

A partir d’une base de données de simulations numériques de haute-fidélité, un premier objectif du stage sera d’établir un lien entre les grandeurs d’entrées des modèles de sillage et les grandeurs caractéristiques de la CLA (hauteur de couche limite, zone d’inversion, stabilité atmosphérique).

L’objectif est de savoir si les modèles couramment utilisés considèrent suffisamment l’état de la CLA, ou si au contraire, ces modèles manquent de grandeurs atmosphériques permettant par la suite de mieux modéliser le comportement des sillages. A partir de la même base de données de simulations hautes fidélités, un second objectif du stage est d’analyser la sensibilité de ces récents modèles de sillage à des CLA présentant des caractéristiques variées et de se comparer aux résultats des simulations haute-fidélité.

Enfin, grâce à l’outil de génération de champs de vent TurbSim [4], un troisième objectif est d’explorer une plus grande diversité de CLA avec un coût de calcul plus faible que les simulations numériques et d’observer la sensibilité des modèles de sillages dynamiques à ces différentes CLA.

Le stage s’articulera autour du programme et des missions décrites ci-dessous.

Au cours des deux premiers mois de stage le ou la stagiaire devra :

Analyser différents champs de vent provenant de simulations numériques en qualifiant leur contenu spectral et leurs grandeurs atmosphériques ;
Établir les liens entre les grandeurs utilisées par les modèles de sillage et les autres grandeurs de la CLA ;

Puis durant les trois mois suivants le ou la stagiaire devra :

Prendre en main différents modèles d’ingénierie permettant de modéliser les sillages éoliens dans l’outil d’ingénierie FarmShadow développé à IFPEN ;
Prendre en main l’outil TurbSim permettant la génération rapide de champs de vent avec un paramétrage des caractéristiques atmosphériques et générer de nouveaux champs de vent ;
Analyser la sensibilité des modèles de sillage aux différentes caractéristiques atmosphériques des champs de vent incidents générés avec TurbSim et issus des simulations hautes fidélité ;
Comparer les résultats des modèles d’ingénierie de sillage à ceux de simulations haute-fidélités ;

Enfin, au cours du dernier mois le ou la stagiaire devra :

Mettre en forme les résultats, les interpréter et les communiquer à l’écrit et à l’oral.

Ce stage permettra de développer des compétences directement mobilisables dans le domaine de l’éolien : utilisation d’outils d’ingénierie pour la conception de parcs, manipulation et analyse de bases de données de champs de vent, investigation de modèles de sillage, mise en œuvre de simulations numériques et comparaison avec des résultats de référence. Il offrira également l’occasion de mobiliser des connaissances en mécanique des fluides, turbulence, statistiques et simulation numérique dans un contexte de recherche appliquée.

Profil recherché :

Étudiant·e en Master 2, école d’ingénieur ou formation équivalente, avec une spécialisation en mécanique des fluides, aérodynamique, énergétique ou domaine connexe.

Compétences requises :

Mécanique des fluides et aérodynamique ;
Turbulence et écoulements atmosphériques ;
Simulation numérique ;
Programmation, idéalement en Python ;
Anglais scientifique et compréhension d’articles scientifiques.

Seront également valorisés :

Connaissance des outils de conception ou d’analyse de parcs éoliens ;
Intérêt pour l’énergie éolienne et les sciences atmosphériques ;
Goût pour l’analyse de résultats numériques et l’interprétation physique ;
Autonomie, rigueur et intérêt pour la recherche appliquée.

Modalités pratiques

Durée du stage : 6 mois pendant printemps/été 2027 (date de début flexible).
Lieu : IFPEN Rueil-Malmaison (92)
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

Mathieu Dubois (IFPEN)
Erwan Jézéquel (IFPEN)

Références

[1] Braunbehrens, R., & Segalini, A. (2019). The effect of atmospheric stability on the wind turbine wake. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 193, 103954. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2019.103954

[2] Jézéquel, E., Blondel, F., & Masson, V. (2024). Breakdown of the Velocity and Turbulence in the Wake of a Wind Turbine -- Part 2: Analytical Modelling. Wind Energy Science, 9(1), 119–139. doi:10.5194/wes-9-119-2024

[3] Vahidi, D.; Porté-Agel, F. A New Streamwise Scaling for Wind Turbine Wake Modeling in the Atmospheric Boundary Layer. Energies 2022, 15, 9477. https://doi.org/10.3390/en15249477

[4] TurbSim User’s Guide
https://openfast.readthedocs.io/en/v4.0.5/_downloads/cb14d3e2d3533d76e405d730fea19846/TurbSim_v2.00.pdf

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