Hydrolienne CFD : 45 tonnes de poussée dans un courant de marée

Une hydrolienne en CFD est une éolienne sous l'eau. Le courant de marée est lent, 2 à 3 m/s, mais l'eau de mer pèse 900 fois plus que l'air : un rotor de 16 m y subit des efforts de plusieurs dizaines de tonnes. Ce cas concret reprend la démarche du cas de l'éolienne sur une machine marine de grande taille, et montre que le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement) ne change ni de méthode ni de durée quand la machine passe de 4 m à 16 m et de l'air à l'eau.

Le rotor bipale de 16 m dans son courant. Les lignes de courant, jaunes en amont, tournent au vert-bleu en traversant le rotor : l'eau a ralenti. Les bouts de pale sont en bleu foncé, là où la dépression est la plus forte.

• Au sommaire :

1. La machine et le courant
2. Les efforts de l'hydrolienne en CFD : 45 tonnes
3. Le sillage de l'hydrolienne dans le courant
4. Ce que la CFD confirme, et ce qu'elle ne confirme pas
5. À retenir

1 : La machine et le courant

Le maillage Level 5 a demandé 5 minutes pour 148 000 cellules : pas plus que pour l'hélice de bateau de 1,14 m. Le banc adapte le domaine et la taille des cellules à la machine ; un rotor de 16 m ne coûte pas plus cher qu'un rotor de 1 m. La première phase du calcul (rotor figé) a pris 2 min 12 ; la seconde (rotor qui tourne réellement) 1 h 38, pour simuler 1,1 tour de ce rotor lent.

2 : Les efforts de l'hydrolienne en CFD : 45 tonnes

Le rotor vu face au courant. La face exposée est en jaune-rouge : l'eau appuie sur toute la pale, avec un maximum le long du bord d'attaque. C'est cette pression, sur deux pales de 6,6 m, qui fait les 45 tonnes de poussée.

Le panneau de résultats après la première phase : 433 700 N de poussée sur les pales, soit environ 44 tonnes. La référence du concepteur est rappelée au-dessus : 631 600 N. Le couple de cette première phase est à ignorer, on y revient plus bas.

L'ordre de grandeur est là : 45 à 48 tonnes de poussée axiale sur la structure qui porte le rotor, un peu moins que les 63 tonnes du concepteur. Pour dimensionner le mât, l'embase ou l'ancrage d'une hydrolienne, ce sont ces chiffres que l'on retient, avec le plus élevé comme enveloppe. La fluctuation calculée en rotation réelle, 10 000 N, n'en représente que 2 % : un rotor bipale lent dans un courant uniforme est une machine régulière.

3 : Le sillage de l'hydrolienne dans le courant

Coupe verticale de la vitesse, vue de côté. Le courant arrive de la droite en vert (2,4 m/s). Derrière le rotor, la zone bleue est l'eau ralentie dont l'énergie a été prélevée ; elle s'étend sur plusieurs diamètres. Une hydrolienne voisine placée dans cette zone produirait moins : c'est la question de l'espacement dans un parc.

La même image que pour l'éolienne, et pour la même raison : une machine qui capte l'énergie d'un fluide le ralentit forcément. Le sillage, invisible en mer, est ici mesurable point par point : la sonde du banc CFD donne la vitesse en tout point où l'on clique sur la coupe.

4 : Ce que la CFD confirme, et ce qu'elle ne confirme pas

Le banc CFD accompagne ses résultats d'alertes. Sur ce cas, elles disent en clair :

• « La poussée (Fx) est fiable » : c'est un effort intégré sur toute la surface des pales, robuste au maillage. Rotor figé ou rotor qui tourne, on retrouve 45 à 48 tonnes.
• Le couple demande « de résoudre la circulation autour des profils de pale », ce qu'un maillage de 148 000 cellules ne fait pas sur des pales de 6,6 m. En rotor figé, le couple sort même avec le mauvais signe : la portance et le frottement des pales se compensent presque, et la petite différence est mal calculée. La rotation réelle le redresse (170 500 N·m, le bon signe) mais reste à −58 % du concepteur.
• Les indicateurs de fluctuation « restent utiles pour comparer des designs, pas pour qualifier le bruit absolu ».

La règle pratique pour le bureau d'études est la même que pour l'éolienne : prendre la poussée CFD pour la structure, garder la puissance du concepteur pour la production, et se servir des images pour ce qu'aucun calcul classique ne donne : la forme du sillage et la répartition de la pression sur la pale.

5 : À retenir

• Le changement d'échelle ne coûte rien : 16 m dans l'eau se calcule comme 1 m dans l'air, 5 minutes de maillage, mêmes boutons.
• 45 à 48 tonnes de poussée sur la structure, confirmées par les deux phases du calcul : c'est le chiffre solide de ce cas.
• Le couple d'un rotor capteur est la grandeur fragile : le banc le dit dans ses alertes, ne pas en faire une puissance nominale.
• Le sillage s'étend sur plusieurs diamètres : la CFD est l'outil pour poser la question de l'espacement entre machines.

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Ces cas concrets accompagnent les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. Pour aller plus loin dans la méthode, la collection technique reste disponible.