Yes / A two-dimensional model based on OpenTidalFarm is applied to simulate tidal stream flow around turbines. The model is governed by shallow water equations and is able to optimize the layout of the deployed turbine array in terms of maximizing the energy outputs. Three turbine array layouts including two structured layouts (regular and staggered) and one unstructured layout (optimized) are simulated to investigate the effect of turbine layouts on energy extraction. The present study shows that more energy could be extracted when lateral spacing decreases and longitudinal spacing increases within the same domain, namely the effective turbine layout is to deploy more turbines in the first row to extract energy from undisturbed tidal stream, while larger longitudinal spacing will make it possible for tidal stream to recover more before reaching the next turbines row. Taking the tidal stream turbines array around Zhoushan Islands as a case study, results show that the optimized layout can extract 106.8% energy of that extracted by the regular and staggered layout for a full tide in the same marine area. Additionally, the turbine array has a great influence on tidal stream velocities immediately behind the array and has little effect on far-field wake flow. / National Natural Science Foundation Council of China (51879098), and the Marine Renewable Energy Research Project of State Oceanic Administration (GHME2015GC01).

En dépit d’un développement opérationnel actuel seulement émergeant le long des côtes françaises, l’extraction de l’énergie cinétique des courants de marée par les hydroliennes apparaît, dès à présent, comme une solution prometteuse pour contribuer, localement, à la transition énergétique de territoires insulaires déconnectés du réseau électrique continental, ayant des besoins électriques limités, et situés dans des espaces naturels sensibles et/ou touristiques intégrant un patrimoine visuel à préserver. Ce travail de thèse se consacre à la modélisation numérique tridimensionnelle des impacts hydrodynamiques et sédimentaires d’hydroliennes d’axe horizontal déployées dans le site pilote d’implantation de fermes hydroliennes du Passage du Fromveur, au cœur du parc naturel marin d’Iroise, à la pointe Bretagne. Les simulations numériques se basent sur le modèle océanographique ROMS (« Regional Ocean Modelling System ») modifié pour intégrer un sous-modèle théorique de disque actuateur assimilant l’hydrolienne à un disque poreux opposant à l’écoulement une force équivalente à la poussée de la turbine. La méthode est validée avec des mesures effectuées en laboratoire dans le sillage d’un disque poreux de 10 cm de diamètre (D) immergé dans un courant permanent. Une résolution spatiale minimale égale à D/10 est nécessaire pour reproduire les observations. Après une étude de convergence numérique à échelle réelle, le modèle ROMS est appliqué, selon une approche gigogne de maillages imbriqués focalisée sur le Passage du Fromveur, pour examiner les interactions des sillages et les effets cumulés au sein d’un parc de huit turbines de 10 m de diamètre susceptible de satisfaire au besoin énergétique de l’île d’Ouessant. L’agencement des turbines suit les recommandations communément adoptées avec une disposition en quinconce et des espacements longitudinaux de 10D et latéraux de 5D. En condition de vive-eau moyenne, le désalignement du courant au pic de flot exacerbe les interactions entre sillages, réduisant la production énergétique du parc de près de 15 % par rapport à celle du pic de jusant. Ce déficit de production énergétique est limité à 2 % en ramenant l’espacement latéral des turbines à 3D. Les prédictions de ROMS sont enfin exploitées pour appréhender l’influence de cette dernière configuration de parc sur la dynamique sédimentaire locale. Les principaux effets attendus concernent (i) le dépôt de sédiments de plus de 2 mm de diamètre dans le sillage des dispositifs et (ii) la mise en mouvement de cailloutis de 5 cm de diamètre entre les sillages. / In spite of a present only emerging operational development along the coast of France, the extraction of the kinetic energy of tidal currents by turbines appears as a promising solution to contribute locally to the energetic transition of insulary territories that are not connected to the continental electricity grid, with limited power needs, and are located in protected and touristic natural areas with a visual heritage to preserve. This doctoral thesis was devoted to the three-dimensional numerical modelling of the hydrodynamic and sedimentary impacts induced by horizontal-axis turbines deployed within the pilot site of the Fromveur Strait, in the natural marine Iroise park, off western Brittany. Numerical simulations are performed with the oceanographic model ROMS (Regional Ocean Modelling System) modified to integrate a theoretical actuator-disk sub-model that assimilates the device to a porous disc opposing the flow with a force equal to the turbine’s thrust. This method was assessed against laboratory measurements within the wake of a porous disc with a diameter (D) of 0.1 m immersed in a permanent flow. A spatial resolution as small as D/10 was required to reproduce observations. After a numerical convergence study at full scale, ROMS was applied, using a nested grid approach targetted towards the Fromveur Strait, to examine wake interactions and cumulative effects within an array of height turbines of 10-m-diameter expected to fulfill the energy need of the island of Ushant. The array layout followed the commonly recommended staggered configuration with respective longitudinal and lateral spacings of 10D and 5D. During spring tidal conditions, the misalignment of the peak flood flow enhanced the wake interactions, reducing by about 15% the array power production in comparison with the peak ebb flow. This lack of power production capacity was lowered to 2% by reducing the lateral spacing to 3D. ROMS predictions were finally exploited to address the influence of this last array of turbines on the local sediment dynamics. Main effects were expected on (i) the deposition of sediments with diameter over 2 mm within the turbine wakes and (ii) the setting in motion of gravels with a diameter of 5 cm between the wakes.