Apport du couplage fluide structure haute-fidélité pour la modélisation des éoliennes nouvelle génération

Contribution of high-fidelity fluid-structure coupling to the modelling of new generation wind turbines

• Auteur / Autrice : Nicolas Cortes
• Direction : Xavier Amandolese
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 03/02/2026
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris) - Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés
• Jury : Président / Présidente : Grégory Pinon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Ramananarivo, Caroline Braud, Emmanuel Branlard, Nicolas Alferez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Camille Chassaing, Thomas Andrianne
• DOI : 10.70675/14a3a02bz7c6cz415fz8144zdf42aee4eec2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroélasticité

Énergie éolienne

Vibrations

Mots clés libres

Aéroelasticité

Éolienne

Vibrations induites par décrochage

Modèle sectionnel équivalent

Couplage haute-Fidélité CFD/CSM

Aeroelasticity

Wind turbine

Stall induced vibration

Equivalent section model

High fidelity coupling CFD/CSM

Résumé

Afin de réduire le coût de l’énergie éolienne, les rotors deviennent de plus en plus grands, avec des pales plus légères, plus élancées et donc plus flexibles. Cette évolution les rend plus sensibles aux instabilités aéroélastiques, en particulier à l’arrêt, lorsque des vents forts peuvent provenir de n’importe quelle direction. Les phénomènes aéroélastiques résultent de l’interaction entre les charges aérodynamiques et la déformation de la structure. Parmi les instabilités susceptibles d’apparaître sur une pale à l’arrêt, cette thèse se concentre sur les vibrations induites par ''décrochage'' (Stall Induced Vibrations, SIV), où un processus de décrochage dynamique non linéaire peut conduire à un transfert d’énergie défavorable du fluide vers la structure. Alors que les approches numériques couplant des codes de simulations ''haute-fidélité'' fluide et structure (CFD/CSM) sont courantes en aéronautique, elles demeurent rares dans le domaine éolien. L’objectif principal de cette thèse est donc de développer un outil de simulation CFD/CSM couplé et de l’utiliser, conjointement à des approches plus simples, pour étudier le comportement aéroélastique des grandes pales d’éoliennes à l’arrêt.Un environnement de simulation modulaire a ainsi été développé en Python afin de coupler des solveurs aérodynamiques et structurels de complexité croissante, d'un modèle sectionnel utilisant un chargement aérodynamique quasi-statique à un solveur ''haute-fidélité'' CFD/CSM. Chaque module incluant le couplage a été validée, et ce solveur modulaire a permis d’étudier les SIV de la pale de référence IEA15MW avec un niveau de précision croissant.Les simulations haute fidélité étant coûteuses, un modèle simplifié a été élaboré afin d’établir des cartes de stabilité et d’identifier les configurations critiques. Il s'agit d'un modèle sectionnel équivalent à deux degrés de liberté, développé sur la base de paramètres équivalents de masse, raideur, angle d’attaque moyen, corde et polaires aérodynamiques. Les résultats obtenus avec une formulation quasi-statique du chargement aérodynamique ou décrochage dynamique de l’ONERA, ont été comparées à une approche continue de type éléments finis. Cette comparaison a mis en évidence les atouts et limites des approches simplifiées pour les pales modernes, fortement vrillées et flexibles.Enfin, des simulations CFD/CSM haute fidélité ont été menées à l’aide d’un solveur URANS couplé à un modèle de poutre non linéaire. L’analyse statique a permis de décrire les cellules de décrochage pour différentes incidences et vitesses de vent. Des simulations réalisées en forçant harmoniquement le mouvement de la pale sur son premier mode de flexion ont ensuite permis d’étudier le déphasage entre mouvement et chargements aérodynamiques, paramètre clé de la stabilité dynamique du système. Enfin, des simulations de réponse à la rafale ont été réalisées afin d’évaluer l’influence des conditions de vent sur le comportement aéroélastique de la pale, tout en capturant plus finement les effets instationnaires et tridimensionnels de l’écoulement.

To reduce the cost of wind energy, wind turbines are becoming increasingly large, with blades that are lighter, more slender and thus more flexible. This makes them more prone to aeroelastic instabilities, especially at standstill, where strong winds can strike from any direction.Aeroelastic phenomena result from the interaction between aerodynamic loads and structural deformation. Among the instabilities of concern for wind turbines at standstill, this work focuses on stall induced vibrations (SIV), where complex nonlinear dynamic stall process can lead to a fluid-structure energy transfer. While high-fidelity CFD/CSM approaches are widely used in aeronautics, their application to wind turbines remains rare. The objective of this thesis is therefore to develop a high fidelity coupled CFD/CSM framework and to use it, together with low-fidelity methods, to investigate the aeroelastic behavior of large wind turbine blades at standstill.A modular Python framework was thus developed to couple structural and aerodynamic solvers across different fidelity levels, from sectional models with either quasi-steady or unsteady nonlinear aerodynamics formulations, to high-fidelity CFD/CSM. Each step of the partitioned coupling was validated and this framework was used to investigate stall-induced vibrations (SIV) of the IEA15MW blade with progressively refined methods.Since high-fidelity simulations are too costly to cover wide ranges of wind conditions, simplified models were built to provide stability maps and guide the selection of critical cases. An equivalent two degrees of freedom section model of the IEA15MW full blade was developed, highlighting the identification procedure of the equivalentmass, stiffness, mean angle of attack, chord and polar. Its prediction, using quasistatic aerodynamics or ONERA dynamic stall model, were compared to a continuous finite-element blade approach under strip theory. This comparison highlighted both the potential and the limitations of such low-fidelity methods for modern twisted and flexible blades.High-fidelity CFD/CSM simulations were then carried out using an unsteady RANS solver coupled with a nonlinear blade model. Static aeroelastic analysis focused on the description of the stall cells under several conditions of incidence and wind speeds, while forced oscillations in the first flapwise mode allowed a detailed analysis of the phase lag in the motion induced aerodynamic loading that mainly impacts the dynamic stability. Finally, few aeroelastic responses to an imposed gust have been computed and discussed using the high-fidelity framework. It allowed a first estimation on the effect of the wind conditions (direction and speed) with a better computation of the 3D unsteady flow behavior.