Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation Physique et Numérique des Ancres à Succion pour les Eoliennes flottantes sous des conditions complexes de drainage du fond marin (MASE)

Laboratoire principal - Référent principal GERS - CG  -  BLANC Matthieu      tél. : +33 240845818

Directeur du laboratoire principal BLANC Matthieu  -

Spécialité de la thèse Génie Civil; Géotechnique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu BLANC Matthieu  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - CG

Co-directeur de thèse prévu LI Zheng  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - CG

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte
De nos jours, le changement climatique causé par les gaz à effet de serre a un impact de plus en plus sévère sur la société humaine. L'urgence de trouver des alternatives énergétiques durables, telles que l'énergie solaire, éolienne et hydraulique, n'a jamais été aussi grande. Parmi celles-ci, l'énergie éolienne se distingue comme une source d'énergie hautement rentable, propre et durable pour les sociétés humaines à travers le monde. Environ 70 % de la surface de la Terre est couverte par les océans, représentant une superficie de 140 millions de miles carrés qui offre un potentiel énorme pour les applications des éoliennes flottantes. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE) [1], le potentiel technique de l'éolien offshore à l'échelle mondiale est estimé à 120,000 gigawatts (GW), ce qui suffirait à couvrir 11 fois la demande mondiale estimée en électricité en 2040.
Parallèlement, le développement des éoliennes offshore flottantes progresse en Europe et en France. Ces éoliennes flottantes approchent de la maturité technologique et sont presque prêtes à être intégrées dans des parcs éoliens comprenant plusieurs dizaines d'unités, connectées au réseau électrique. Avec la transition des parcs éoliens flottants des sites peu profonds vers des zones en eaux profondes, les ancrages à succion se positionnent comme une solution de fondation essentielle, offrant stabilité et fiabilité dans des conditions marines exigeantes[2]. Cependant, en raison de la complexité des conditions géologiques des fonds marins, les ancrages à succion dans les zones d’eaux profondes font face à de nombreux défis, tels que les conditions de drainage complexes et la variabilité des sols marins. Les fonds marins stratifiés, soumis à des conditions de drainage variables, influencent considérablement les performances d’installation et de fonctionnement des ancrages à succion. Actuellement, les mécanismes de réponse des ancrages à succion en eaux profondes face à différentes conditions de drainage sont encore peu connus[3]. Par conséquent, il est nécessaire de mener de nouvelles recherches pour mieux comprendre ces mécanismes, afin d’optimiser la conception, l’installation et les performances opérationnelles des ancrages à succion dans les régions d’eaux profondes.

Problématique
Trois questions principales se posent :
• Challenges liés à l'installation : Dans les sols marins stratifiés présentant des caractéristiques de drainage variées, l'efficacité de la pression de succion est imprévisible, ce qui complique le contrôle de l'installation et de la pénétration de l'ancrage.
• Défis liés à la capacité portante : Les conditions de drainage complexes peuvent avoir une influence significative sur la capacité portante à l'arrachement de l'ancrage à succion, ainsi que sur ses performances sous chargements cycliques.
• Défis en matière de modélisation et de prédiction : Les cadres numériques ou modèles actuels simplifient souvent de manière excessive le comportement de drainage, entraînant des prédictions inexactes des performances de l'ancrage à succion.

Verrous scientifiques
Cette étude adoptera une approche combinant expérimentation et simulation numérique, en adoptant une perspective multi-échelle (du micro au macro) pour répondre à ces questions. L'objectif est de révéler les mécanismes de fonctionnement des ancres à succion en eaux profondes sous des conditions de drainage variables, et d'évaluer leurs performances à court et à long terme.
• Des essais à 1g et à Ng en centrifugeuse seront réalisés dans le but d’observer les variations de la pression sous succion autour de l’ancre à succion, ainsi que les lois à l’échelle micro-échelle du flux de liquide, et les caractéristiques à l’échelle macro-échelle de la capacité portante et de la déformation. L’objectif est de relier les variations à l’échelle micro-échelle aux comportements observés à macro-échelle.
• Sur la base des observations expérimentales, un nouveau cadre numérique multi-échelle sera proposé pour simuler le comportement des ancres à succion en eaux profondes sous des conditions de drainage variables. Ce cadre numérique multi-échelle est basé sur la technologie de simulation des grandes déformations CEL (Lagrangien - Eulerien Couplé)[4], prenant en compte les effets de couplage solide-fluide à l'échelle micro-échelle. Ce cadre numérique innovant sera utilisé pour simuler l'installation et les performances à court et à long terme des ancres à succion en eaux profondes sous différentes conditions de drainage.

Caractère innovant
L'innovation de cette étude réside dans l'approche multi-échelle, tant du point de vue expérimental que de la simulation numérique, visant à établir la relation entre les effets de couplage solide-fluide à l'échelle micro-échelle et la capacité portante macro-échelle ainsi que les caractéristiques de déformation des ancres à succion. La modélisation multi-échelle nous permettra de mieux comprendre, à un niveau plus profond, les mécanismes d'influence des différentes conditions de drainage sur le comportement des ancres à succion.

Résultats attendus
• Corrélation précise entre les simulations numériques et les données expérimentales
• Validation des effets de la couche de drainage sur la résistance à «Reverse End Bearing» (REB) :
• Proposition de recommandations pour la performance à court et à long terme
• Proposition d’un nouveau cadre numérique pour la modélisation du couplage complexe solide-fluide et de l'interaction sol-ancre en grande déformation.

Valorisation
Scientifique :
• Avec une finalité appliquée, les méthodes et résultats obtenus dans cette étude seront transférés et contribueront au domaine des fondations pour l'énergie éolienne, en particulier pour le design et la construction des fondations flottantes pour les éoliennes en mer en Europe et en France.
• Des publications dans des revues internationales et congrès complèteront le volet de valorisation.
• Une partie des données expérimentales ainsi que les modèles numériques de ce projet seront publiés sous la forme de « DataBase Paper » et diffusés plus largement dans les médias de Reflexscience.
Sociétale :
• Afin de mieux communiquer avec le grand public, les résultats de ce projet seront présentés lors de la Fête de la Science, dans le but d'accroître l'impact de l'énergie éolienne et des énergies renouvelables vertes au sein de la société.
• Ces travaux feront l’objet d’articles sur la plateforme « Echosciences » de la région Pays de la Loire.
• Le doctorant sera chargé de mettre en place le projet Offshore wind for kids avec l’aide des membres du laboratoire (https://www.offshorewind4kids.com/). Grâce à des activités pratiques, des enfants pourront découvrir différentes technologies mises en œuvre pour des solutions d'énergie propre.

References
[1] IEA, “Offshore Wind Outlook 2019,” 2019.
[2] K. H. Andersen et al., “Suction anchors for deepwater applications,” Front. Offshore Geotech. ISFOG 2005 - Proc. 1st Int. Symp. Front. Offshore Geotech., pp. 3–30, 2005.
[3] S. Grecu, L. B. Ibsen, and A. Barari, “Effects of drainage conditions and suction pressure on tensile response of bucket foundations: An experimental study,” Ocean Eng., vol. 277, p. 114277, 2023.
[4] S. Dutta, B. Hawlader, and R. Phillips, “Finite element modeling of partially embedded pipelines in clay seabed using Coupled Eulerian – Lagrangian method,” Can. Geotech. J., vol. 52, no. 1, pp. 58–72, 2014.

Mots-clefs: Ancres à succion; modélisation centrifugeuse; modélisation numérique; grande déformation; non-homogénéité du sol; condition de drainage; couplage à succion-solide-fluide

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - CG - BLANC Matthieu tél. : +33 240845818
Directeur du laboratoire principal	BLANC Matthieu -
Spécialité de la thèse	Génie Civil; Géotechnique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	BLANC Matthieu - Université Gustave Eiffel - GERS - CG
Co-directeur de thèse prévu	LI Zheng - Université Gustave Eiffel - GERS - CG
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte De nos jours, le changement climatique causé par les gaz à effet de serre a un impact de plus en plus sévère sur la société humaine. L'urgence de trouver des alternatives énergétiques durables, telles que l'énergie solaire, éolienne et hydraulique, n'a jamais été aussi grande. Parmi celles-ci, l'énergie éolienne se distingue comme une source d'énergie hautement rentable, propre et durable pour les sociétés humaines à travers le monde. Environ 70 % de la surface de la Terre est couverte par les océans, représentant une superficie de 140 millions de miles carrés qui offre un potentiel énorme pour les applications des éoliennes flottantes. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE) [1], le potentiel technique de l'éolien offshore à l'échelle mondiale est estimé à 120,000 gigawatts (GW), ce qui suffirait à couvrir 11 fois la demande mondiale estimée en électricité en 2040. Parallèlement, le développement des éoliennes offshore flottantes progresse en Europe et en France. Ces éoliennes flottantes approchent de la maturité technologique et sont presque prêtes à être intégrées dans des parcs éoliens comprenant plusieurs dizaines d'unités, connectées au réseau électrique. Avec la transition des parcs éoliens flottants des sites peu profonds vers des zones en eaux profondes, les ancrages à succion se positionnent comme une solution de fondation essentielle, offrant stabilité et fiabilité dans des conditions marines exigeantes[2]. Cependant, en raison de la complexité des conditions géologiques des fonds marins, les ancrages à succion dans les zones d’eaux profondes font face à de nombreux défis, tels que les conditions de drainage complexes et la variabilité des sols marins. Les fonds marins stratifiés, soumis à des conditions de drainage variables, influencent considérablement les performances d’installation et de fonctionnement des ancrages à succion. Actuellement, les mécanismes de réponse des ancrages à succion en eaux profondes face à différentes conditions de drainage sont encore peu connus[3]. Par conséquent, il est nécessaire de mener de nouvelles recherches pour mieux comprendre ces mécanismes, afin d’optimiser la conception, l’installation et les performances opérationnelles des ancrages à succion dans les régions d’eaux profondes. Problématique Trois questions principales se posent : • Challenges liés à l'installation : Dans les sols marins stratifiés présentant des caractéristiques de drainage variées, l'efficacité de la pression de succion est imprévisible, ce qui complique le contrôle de l'installation et de la pénétration de l'ancrage. • Défis liés à la capacité portante : Les conditions de drainage complexes peuvent avoir une influence significative sur la capacité portante à l'arrachement de l'ancrage à succion, ainsi que sur ses performances sous chargements cycliques. • Défis en matière de modélisation et de prédiction : Les cadres numériques ou modèles actuels simplifient souvent de manière excessive le comportement de drainage, entraînant des prédictions inexactes des performances de l'ancrage à succion. Verrous scientifiques Cette étude adoptera une approche combinant expérimentation et simulation numérique, en adoptant une perspective multi-échelle (du micro au macro) pour répondre à ces questions. L'objectif est de révéler les mécanismes de fonctionnement des ancres à succion en eaux profondes sous des conditions de drainage variables, et d'évaluer leurs performances à court et à long terme. • Des essais à 1g et à Ng en centrifugeuse seront réalisés dans le but d’observer les variations de la pression sous succion autour de l’ancre à succion, ainsi que les lois à l’échelle micro-échelle du flux de liquide, et les caractéristiques à l’échelle macro-échelle de la capacité portante et de la déformation. L’objectif est de relier les variations à l’échelle micro-échelle aux comportements observés à macro-échelle. • Sur la base des observations expérimentales, un nouveau cadre numérique multi-échelle sera proposé pour simuler le comportement des ancres à succion en eaux profondes sous des conditions de drainage variables. Ce cadre numérique multi-échelle est basé sur la technologie de simulation des grandes déformations CEL (Lagrangien - Eulerien Couplé)[4], prenant en compte les effets de couplage solide-fluide à l'échelle micro-échelle. Ce cadre numérique innovant sera utilisé pour simuler l'installation et les performances à court et à long terme des ancres à succion en eaux profondes sous différentes conditions de drainage. Caractère innovant L'innovation de cette étude réside dans l'approche multi-échelle, tant du point de vue expérimental que de la simulation numérique, visant à établir la relation entre les effets de couplage solide-fluide à l'échelle micro-échelle et la capacité portante macro-échelle ainsi que les caractéristiques de déformation des ancres à succion. La modélisation multi-échelle nous permettra de mieux comprendre, à un niveau plus profond, les mécanismes d'influence des différentes conditions de drainage sur le comportement des ancres à succion. Résultats attendus • Corrélation précise entre les simulations numériques et les données expérimentales • Validation des effets de la couche de drainage sur la résistance à «Reverse End Bearing» (REB) : • Proposition de recommandations pour la performance à court et à long terme • Proposition d’un nouveau cadre numérique pour la modélisation du couplage complexe solide-fluide et de l'interaction sol-ancre en grande déformation. Valorisation Scientifique : • Avec une finalité appliquée, les méthodes et résultats obtenus dans cette étude seront transférés et contribueront au domaine des fondations pour l'énergie éolienne, en particulier pour le design et la construction des fondations flottantes pour les éoliennes en mer en Europe et en France. • Des publications dans des revues internationales et congrès complèteront le volet de valorisation. • Une partie des données expérimentales ainsi que les modèles numériques de ce projet seront publiés sous la forme de « DataBase Paper » et diffusés plus largement dans les médias de Reflexscience. Sociétale : • Afin de mieux communiquer avec le grand public, les résultats de ce projet seront présentés lors de la Fête de la Science, dans le but d'accroître l'impact de l'énergie éolienne et des énergies renouvelables vertes au sein de la société. • Ces travaux feront l’objet d’articles sur la plateforme « Echosciences » de la région Pays de la Loire. • Le doctorant sera chargé de mettre en place le projet Offshore wind for kids avec l’aide des membres du laboratoire (https://www.offshorewind4kids.com/). Grâce à des activités pratiques, des enfants pourront découvrir différentes technologies mises en œuvre pour des solutions d'énergie propre. References [1] IEA, “Offshore Wind Outlook 2019,” 2019. [2] K. H. Andersen et al., “Suction anchors for deepwater applications,” Front. Offshore Geotech. ISFOG 2005 - Proc. 1st Int. Symp. Front. Offshore Geotech., pp. 3–30, 2005. [3] S. Grecu, L. B. Ibsen, and A. Barari, “Effects of drainage conditions and suction pressure on tensile response of bucket foundations: An experimental study,” Ocean Eng., vol. 277, p. 114277, 2023. [4] S. Dutta, B. Hawlader, and R. Phillips, “Finite element modeling of partially embedded pipelines in clay seabed using Coupled Eulerian – Lagrangian method,” Can. Geotech. J., vol. 52, no. 1, pp. 58–72, 2014.
Mots-clefs:	Ancres à succion; modélisation centrifugeuse; modélisation numérique; grande déformation; non-homogénéité du sol; condition de drainage; couplage à succion-solide-fluide

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