Prédiction déterministe de houle par mesure du profil de vitesse

Deterministic sea wave prediction using velocity profile measurements

• Auteur / Autrice : Marion Huchet
• Direction : Pierre Ferrant, Guillaume Ducrozet, Jean-Christophe Gilloteaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 11/06/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Stephan Grilli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ferrant, Guillaume Ducrozet, Jean-Christophe Gilloteaux, Stephan Grilli, Laurent David, Marissa L. Yates
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent David, Marissa L. Yates

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes non linéaires

Énergie des vagues

Hydrodynamique

Mots clés libres

Hydrodynamique

Houle

Prédiction déterministe

Énergie des vagues

Ondes non-linéaires

Hydrodynamics

Deterministic sea wave prediction

Wave energy

Nonlinear waves

Résumé

Cette thèse présente une nouvelle méthode pour la prédiction déterministe de houle, capable de décrire précisément l'évolution d'états de mer non-linéaires tout en conservant des temps de calculs raisonnables. Une attention particulière est portée à la qualité de l'information sur la phase des vagues. Contrairement aux approches classiques qui reposent sur des mesures d'élévation de surface libre, les informations sur l'état de mer incident sont ici collectées sous la forme de profils instantanés de vitesse horizontale dus aux vagues, en amont de la zone d'intérêt. Le renseignement de cette information cinématique dans un modèle non-linéaire de propagation reposant sur une approche pseudo-spectrale permet de s'affranchir de l'étape d'assimilation de données habituellement requise dans ce genre de modèle, allégeant le temps de calcul en conservant la qualité de prédiction. Ce travail présente un diagnostic de faisabilité de cette méthode en houle unidirectionnelle. En l'absence d'instrumentation idéale pour la mesure de profils instantanés de vitesse horizontale, une méthode originale est développée pour reconstruire cette information à partir de mesures de profileurs acoustiques de courant à effet Doppler (ADCP), étendant ainsi le champ actuel d'application de ces instruments. Des études numériques de sensibilité évaluent ensuite la qualité de la prédiction obtenue pour diverses configurations de mesures et états de mers. On présente pour finir les essais en bassin conduits à Centrale Nantes, qui constituent la validation expérimentale de la méthode. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus font de celle-ci une piste prometteuse.

This PhD thesis presents a new method for deterministic sea wave prediction, able to accurately describe the evolution of non linear sea states while keeping the computation time reasonable. Particular attention is paid to the quality of the wave phase information. Contrary to classical approaches relying on free surface elevation measurements, information on the incident sea state is collected here in the form of instantaneous horizontal wave velocity profiles upstream of the area of interest. This kinematic information is used in a nonlinear propagation model based on a pseudo-spectral approach, allowing to avoid the data assimilation step usually required in this kind of model. This greatly reduces the computation time while maintaining the prediction quality. This work presents a feasibility study of this method for long-crested waves. In the lack of an instrumentation dedicated to the measurement of instantaneous horizontal velocity profiles, an original method is developed to reconstruct this information from acoustic Doppler current profiler (ADCP) measurements, thus extending the current application scope of these sensors. Numerical sensitivity studies then evaluate the quality of the prediction obtained for various measurement configurations and sea states. Lastly, we present the trials conducted in Centrale Nantes' towing tank, which provide an experimental validation of the method for unidirectional waves. The good numerical and experimental results obtained make this method a promising approach.