Modélisation non-linéaire des interactions vague-structure appliquée

156 Pages·2015·6 MB·French

E´cole doctorale SIE
Mod´elisation non-lin´eaire
des interactions vague-structure
appliqu´ee `a des flotteurs d’´eoliennes
off-shore
`
THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 12 juin 2015
pour l’obtention du
Doctorat de l’Universit´e Paris-Est
(Sp´ecialit´e : M´ecanique des fluides)
par
Emmanuel DOMBRE
Composition du jury
Pr´esident : Prof. St´ephan Grilli (Univ. Rhode Island, USA)
Rapporteurs : Prof. Fr´ed´eric Dias (Univ. College Dublin, Ireland)
Prof. Pierre Ferrant (Ecole Centrale Nantes)
Examinateurs : Dr. Sime Malenica (Bureau Veritas)
Dr. Yves-Marie Scolan (ENSTA Bretagne)
Invit´e : Christophe Peyrard (Labo Saint-Venant et EDF R&D)
Directeur de th`ese : Dr. Damien Violeau (Labo Saint-Venant et EDF R&D)
Co-directeur de th`ese : Prof. Michel Benoit (Labo Saint-Venant et EDF R&D)
Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant (EDF R&D, ENPC, Cerema)
Mis en page avec la classe thesul.
ThŁse e(cid:27)ectuØe au sein du Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant
de l’UniversitØ Paris-Est
6, quai Watier
BP 49
78401 Chatou cedex
France
i
RØsumØ
RØsumØ
Cette thŁse est consacrØe (cid:224) l’Øtude numØrique des interactions non-linØaires entre des vagues et
un corps rigide per(cid:231)ant la surface libre. La mØthode dØveloppØe repose sur un modŁle d’ØlØments
de frontiŁre qui rØduit la dimensionnalitØ du problŁme d’une dimension. Dans un premier temps,
un modŁle 2D est appliquØ (cid:224) des gØomØtries simples et permet de dØmontrer la pertinence de
l’approche envisagØe pour la prØdiction des mouvements d’une structure (cid:29)ottante soumise (cid:224) des
vagues monochromatiques rØguliŁres. Dans un second temps, en nous inspirant d’un modŁle
potentiel non-linØaire 3D dØveloppØ par Grilli et al. [1], nous proposons une gØnØralisation de la
mØthode pour des maillages triangulaires non-structurØs de surfaces 3D. Le modŁle dØveloppØ
permet de traiter des con(cid:28)gurations arbitraires de plusieurs cylindres verticaux en interaction
avec les vagues. Nous prØsentons des cas de validation de nature acadØmique qui permettent
d’apprØcier le comportement du modŁle numØrique. Puis nous nous tournons vers l’application
visØe par EDF R&D, qui concerne le dimensionnement d’Øoliennes o(cid:27)-shore (cid:29)ottantes. Un (cid:29)ot-
teur de type semi-submersible est ØvaluØ (cid:224) l’aide du modŁle non-linØaire.
Mots-clØ :
MØcanique des (cid:29)uides numØrique, interactions vagues-structures non-linØaire, ØlØments de
frontiŁre.
ii
Nonlinear modelling of wave-structure
interactions applied to o(cid:27)shore wind
turbine platforms
iii
Abstract
Abstract
This PhD work is devoted to the study of nonlinear interactions between waves and (cid:29)oating
rigid structures. The developed model relies on a boundary element method which reduces the
dimensionalityoftheproblembyone. First,a2Dmodelisappliedtobasicgeometriesandallows
us to demonstrate the validity of the method for predicting the motion of a (cid:29)oating structrure
subject to incoming monochromatic regular waves. Secondly, getting inspired by the 3D fully
nonlinear potential (cid:29)ow model of Grilli et al. [1], we propose a novel model which generalizes
the method for unstructured triangular meshes of 3D surfaces. The proposed model is able to
deal with arbitrary con(cid:28)gurations of multiple vertical cylinders interacting with the waves. We
present academic validation test cases which show how the model works and behaves. Finally,
we study situations of interest for EDF R&D related to (cid:29)oating o(cid:27)-shore wind turbines. A
semi-submersible platform is evaluated with the nonlinear model.
Keywords:
Computational (cid:29)uid dynamics, nonlinear wave-structure interactions, boundary elements
method.
iv
Remerciements
Remerciements
En premier lieu, je tiens (cid:224) remercier vivement mes encadrants Michel Beno(cid:238)t, Damien Violeau
et Christophe Peyrard, pour m’avoir accompagnØ tout au long de ce parcours parfois sinueux
mais plein de satisfactions. Merci encore pour nos nombreux Øchanges, vos conseils et relectures
minutieuses (cette liste n’est pas exhaustive!) et pour avoir rendu ces 3 ans et 5 mois riches
de dØ(cid:28)s et de rebondissements scienti(cid:28)ques! Je remercie aussi chaleureusement FrØdØric Dias,
Pierre Ferrant, Yves-Maris Scolan, Sime Malenica et Stephan T.Grilli pour avoir acceptØ de
poser un (cid:247)il expert sur ce travail et pour leurs commentaires et questions avant et pendant la
soutenance de thŁse. Mes remerciements s’adressent Øgalement (cid:224) l’ensemble du groupe P74 et
au dØpartement LNHE pour avoir rendu ce projet possible dans de trŁs bonnes conditions. J’en
pro(cid:28)te aussi pour remercier les ingØnieurs-chercheur de l’Øolien-o(cid:27)shore Nicolas Relun, Pierre
Bousseau, Sarah Levy, Yvan Bercovitz et Ra(cid:27)aello Antonutti. Je remercie l’ANRT pour avoir
(cid:28)nancØ partiellement cette thŁse CIFRE sous le contrat # 2011-1724. Je souhaite Øgalement
remercier l’Ecole Doctorale SIE de l’UniversitØ Paris-Est. Je tiens aussi (cid:224) remercier vivement
Stephan T. Grilli et Je(cid:27)rey C. Harris qui m’ont initiØ aux arcanes de la mØthode BEM, et pour
les nombreux Øchanges tout au long de la thŁse. Comme il me serait di(cid:30)cile de tenir un compte
rigoureux de toutes les personnes du Laboratoire Saint-Venant que j’ai rencontrØes au cours de
ma thŁse, je me contenterai d’adresser un remerciement gØnØral aux stagiaires, doctorants, post-
doctorants,etchercheursdulaboratoirequionttravaillØ(cid:224)mesc(cid:244)tØsetontcontribuØ(cid:224)rendreces
annØes trŁs agrØables. J’ai une pensØe particuliŁre pour les Alumni du bureau I 129! Je remercie
Øgalement tous mes amis pour leurs encouragements. En(cid:28)n, je tiens (cid:224) remercier mes parents et
mes s(cid:247)urs ainsi que tous les membres de ma famille qui me soutiennent depuis le dØbut. Merci
encore pour vos encouragements constants!
v
Remerciements
vi
Nomenclature
(e ) Canonical basis of R3 such that e = e , e = e and e = e
k k=1..3 1 x 2 y 3 z
F(t ) = F Hydrodynamical force acting on the body at time t
i i i
F∗ Prediction of the hydrodynamical force acting on the body at time t made at iteration
i,0 i
i 1
−
F Hydrodynamical force acting on the body at time t and sub-iteration k in the Newmark
i,k i
scheme
n(x,t) Unit outward normal vector to the (cid:29)uid boundary ∂Ω (t) at point x
f
n (x,t) Unit inward normal vector to the body boundary Γ (t) at point x
b c
v Fluid velocity vector
v (x) Solid velocity vector at the point x
b
x Position vector
x (t) Position vector of the center of mass of the body
G
x¨ (t) Acceleration vector of the center of mass of the body
G
x˙ (t) Velocity vector of the center of mass of the body
G
d· Lagrangian time derivation
dt
Γ Bottom boundary
b
Γ (t) Wetted surface of the body boundary at time t
c
Γ (t) Set of free surface points at time t
f
Γ Set of lateral boundaries of the domain Ω (t)
l f
Ω (t) Volume of (cid:29)uid at time t
f
∂Ω (t) External boundary of the (cid:29)uid at time t
f
φ Velocity potential such that φ = v
∇
φ (t) Function such that φ (t)(x,t) is the Dirichlet condition on the free surface at point x and
f f
at time t
vii
Nomenclature
φ Eulerian time derivative of φ, φ = ∂φ
t t ∂t
ρ Density of the (cid:29)uid
a Added mass coe(cid:30)cient in the i direction due to a motion in the j direction
ij
b Damping coe(cid:30)cient in the i direction due to a motion in the j direction
ij
c Fourier coe(cid:30)cient of order n
n
f k -th component of the vector f, f = f e
k k k
·
G Green’s function, fundamental solution of the Laplace equation
g Acceleration of gravity
N Number of element of the set Γ (t) Γ (t)
d f c
∩
N Number of degrees of freedom on the body surface
b
N Number of degrees of freedom
dof
N Number of boundary elements
el
Ox Horizontal axis
Oy Transverse axis
Oz Vertical axis
p Atmospheric pressure
a
x (t) Set of body surface nodes belonging to Γ (t) Γ (t)
b f c
∩
x (t) Set of free surface nodes belonging to Γ (t) Γ (t)
f f c
∩
X Transformation which maps the initial domain Ω (0) on Ω (t)
t f f
viii