Study of the spatio-temporal structures in the wake of a vertical cylinder under a forcing of both current and waves

Nos travaux ont porté sur l’étude des structures hydrodynamiques spatio-temporelles présentes dans le sillage d’un mât d’éolienne en mer, assimilé ici à un cylindre, pour une application future au parc éolien de Courseulles-sur-Mer. L’analyse hydrodynamique s’est focalisée sur le phénomène de synchronisation entre des vagues régulières et le sillage généré par le courant derrière deux cylindres verticaux. Un diagramme d’état résumant les différents régimes de synchronisation par rapport aux fréquences des vagues et amplitudes étudiées, a été établi. Pour compléter les résultats obtenus avec les vagues régulières, la synchronisation a aussi été étudiée en présence de vagues irrégulières. Dans le cas de vagues irrégulières, le coefficient de diffusion de la phase, K a été utilisé pour expliquer la synchronisation des fréquences. Après l’étude du phénomène de synchronisation, des essais ont été consacrés au transport sédimentaire (affouillement et rides) autour et dans un environnement proche d’un cylindre vertical sous l’effet de plusieurs types d’écoulement. Parallèlement aux expériences en laboratoire, une étude numérique a été amorcée. Dans un premier temps, une simulation DNS (Direct Numerical Simulation) d’un écoulement d’un courant seul autour d’un cylindre vertical a été effectuée. Un cas d’écoulement plus compliqué (i.e. Comprenant des vagues) et un domaine numérique simulant l’impact hydrodynamique d’un réseau de cylindres (modélisant un réseau de mâts d’éoliennes) soumis à un courant seul ont également été mis en oeuvre. Ce réseau comprend 4 cylindres disposés sur 2 rangées. Après l’étude numérique d’un courant seul, le solveur olaFoam a été utilisé pour imposer un écoulement composé d’un courant et de vagues dans un domaine relativement simple : sans obstacle et avec un fond lisse. Les résultats numériques se sont révélés être en assez bon accord avec la littérature au voisinage de la surface libre, montrant la décélération du courant de surface lorsque les vagues et le courant en entrée se propagent dans le même sens.The various experiments carried out have laid emphasis on the study of hydrodynamic spatio-temporal structures found in an offshore wind turbine’s mast, coupled to a cylinder, which will later on be used at the Courseulles-sur-Mer wind farm. The hydrodynamic analysis focused on the synchronization phenomenon between regular waves and the Von Karman Street generated by a current, behind two different vertical cylinders. A diagram showing the different synchronization regimes with respect to the frequencies of the waves and the amplitudes studied, has been drawn. In addition to the results obtained with regular waves, the synchronization phenomenon has also been analysed using irregular waves. In the case of irregular waves, the phase diffusion coefficient, K, has been used to explain the different frequency synchronization observed. After having studied the synchronization phenomenon, tests were carried out on the study of sediment transport (scour and ripples) under the effect of different types of flows in an environment close to a vertical cylinder. In parallel to the laboratory experiments, a numerical study has also been conducted by studying the DNS (Direct Numerical Simulation) of a steady flow of current around a vertical cylinder. In addition to that a more complicated flow of a steady current around a network of cylinders comprising of a series of 4 cylinders arranged in 2 rows (representing a network of wind turbine masts) have also been observed and analysed. After having studied the flow made up by a steady current, the olafoam solver was used to apply a flow made up of both currents and waves in an obstacle free environment with a smooth floor. The numerical results obtained close to the free surface have been found to fairly agree with the findings of other related studies conducted. We observed a reduction in the intensity of the surface current when the waves and the current propagate in the same direction