Dans un contexte mondial où l’accès à l’énergie est un problème de premier plan, l’exploitation des courants de marée avec des hydroliennes revête un intérêt certain. Les écoulements dans les zones à fort potentiel énergétique propices à l’installation d’hydroliennes sont souvent fortement turbulents. Or la turbulence ambiante impacte fortement l’hydrodynamique avoisinante et le fonctionnement de la turbine. Une prédiction fine de la turbulence et du sillage est fondamentale pour l'optimisation d'une ferme d'hydroliennes. Un modèle de simulation de l'écoulement autour de la turbine doit donc être précis et tenir compte de la turbulence ambiante. Un outil basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est utilisé à ces fins, en association avec une approche de simulation des grandes échelles (LES). La LBM est une méthode instationnaire de modélisation d’écoulement fluide. Une méthode de génération de turbulence synthétique est implémentée afin de prendre en compte la turbulence ambiante des sites hydroliens. Les géométries complexes, potentiellement en mouvement, sont modélisées avec la méthode des frontières immergées (IBM). La mise en place d’un modèle de paroi est réalisée afin de réduire le cout en calcul du modèle. Ces outils sont ensuite utilisés pour modéliser en LBM-LES une hydrolienne dans un environnement turbulent. Les calculs, réalisés à deux taux de turbulence différents, sont comparés avec des résultats expérimentaux et des résultats NS-LES. Les modélisations LBM-LES sont ensuite utilisées pour analyser le sillage de l'hydrolienne. Il est notamment observé qu'un faible taux de turbulence impacte de manière significative la propagation des tourbillons de bout de pale. / In a global context where access to energy is a major problem, the exploitation of tidal currents with tidal turbines is of particular interest. Flows in areas with high energy potential suitable for the installation of tidal turbines are often highly turbulent. However, the ambient turbulence has a strong impact on the surrounding hydrodynamics and the turbine operation. A precise prediction of turbulence and wake is fundamental to the optimization of a tidal farm. A numerical model of the flow around the turbine must therefore be accurate and take into account the ambient turbulence. A tool based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) is used for this purpose, in combination with a Large Eddy Simulation (LES) approach. The LBM is an unsteady method for modelling fluid flows. A synthetic turbulence method is implemented to take into account the ambient turbulence of tidal sites. Complex geometries, potentially in motion, are modelled using the Immersed Boundary Method (IBM). The implementation of a wall model is carried out in order to reduce the cost of the simulations. These tools are then used to model a turbine in a turbulent environment. The calculations, performed at two different turbulence rates, are compared with experimental and NS-LES results. The LBM-LES models are then used to analyze the wake of the turbine. In particular, it is observed that a low turbulence rate has a significant impact on the propagation of tip-vortices.

Les courants marins sont aujourd’hui considérés comme une source d’énergie renouvelable prometteuse. De nombreux projets internationaux consistent à installer différents types de convertisseurs d’énergie des courants marins. La caractérisation des ressources marines est alors essentielle pour optimiser cette production d’énergie. En particulier, les zones à fort potentiel hydrolien sont sujettes à une turbulence multi-échelles, allant de petits tourbillons capables de solliciter les pales en fatigue aux gros tourbillons pouvant perturber la production de la turbine. Une meilleure connaissance de la génération de ces tourbillons et de leur propagation est essentielle. C’est l’objet du projet ANR/FEM THYMOTE (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) avec comme site d’étude le Raz Blanchard : l’un des sites les plus prometteurs d’Europe. L’une des questions posées concerne la capacité des grandes structures morphologiques du fond marin à produire des tourbillons. La méthode utilisée est l’emploi d’un modèle régional 3D pour couvrir la zone occupée par ces reliefs.Les modèles régionaux tels que TELEMAC-3D utilisent une fermeture turbulente de type URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes), avec par exemple le modèle $k-\varepsilon$. Cette approche ne permet pas une description fine des instationnarités de la turbulence. Cependant, grâce à l’augmentation des performances de calcul, la méthode Large Eddy Simulation (LES) devient envisageable. Celle-ci s’appuie sur un filtrage de l’écoulement, et consiste à simuler uniquement les plus grandes échelles de turbulence. Les plus petites, elles, sont modélisées. Le code TELEMAC-3D a été modifié durant cette thèse de manière à introduire cette fermeture turbulente. Le code développé permet de simuler des écoulements à surface libre en tenant compte d'une large gamme d'échelles allant de la turbulence à la propagation de la marée. Le code TELEMAC-LES a été validé sur la base de résultats expérimentaux issus de la littérature. Il est ensuite utilisé pour étudier les écoulements turbulents dans le Raz Blanchard grâce à une stratégie par emboîtement. La méthode LES permet alors une description fine de la turbulence de ces milieux, conduisant à l’identification de structures tourbillonnaires énergétiques, et donc la définition des zones les plus appropriées pour l’installation d'hydroliennes. / Nowadays tidal currents are considered a promising renewable energy source. Many worldwide projects involve the installation of different types of marine current energy converters. The characterisation of marine resources is therefore essential to increase efficiency of energy production. Areas with high hydroturbine potential are particularly subject to multi-scale turbulence, ranging from small vortices able to cause large fatigue loads, to large vortices capable of disrupting turbine production. A better knowledge of the generation of these eddies and their propagation is essential. This is the purpose of the ANR/FEM THYMOTE project (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) studying one of the most promising sites in Europe: the Alderney Race. One of the questions raised concerns the ability of large morphological structures on the seabed to produce eddies. The adopted method uses a 3D regional model to cover the area occupied by these bedforms.Regional models such as TELEMAC-3D use a turbulent URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) closure, with for example the $k-\varepsilon$. This approach does not allow a detailed description of the instability of turbulence. However, thanks to the increase in computing resources, the large scale method (LES) becomes feasible. This is based on flow filtering, and consists of simulating only the largest turbulence scales, whereas the smaller ones are modeled. The TELEMAC-3D code was modified during this thesis in order to introduce this turbulent closure. The code developed allows free surface flows to be simulated over a wide range of scales from turbulence to tidal propagation. The TELEMAC-LES code has been validated on the basis of experimental results from the literature. It is then used to study turbulent flows in the Alderney Race using a nesting strategy. The LES method allows a detailed description of the turbulence of these environments. It finally leads to the identification of energetic vortex structures, and thus the definition the most appropriate zones for the installation of tidal turbines.

Le développement des énergies renouvelables passe par l’exploitation de nouvelles sources d’énergie. La filière hydrolienne, dédiée à la récupération de l’énergie des courants de marée, est proche de l’industrialisation. Cependant, les conditions hydrodynamiques turbulentes des sites hydroliens sont encore mal connues. Cette thèse propose d’examiner à l’échelle locale l’effet des rugosités du fond marin sur la génération de tourbillons hautement énergétiques par la simulation numérique en mécanique des fluides de type méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode est particulièrement adaptée à la simulation d’écoulements instationnaires sur un domaine de simulation complexe. Dans un premier temps, les phénomènes physiques de détachements tourbillonnaires sur des macro-rugosités canoniques sont décrits. L’appariement de structures tourbillonnaires est mis en évidence dans le processus de formation de tourbillons hautement énergétiques. Dans un deuxième temps, la simulation permet d’observer de tels phénomènes dans le cas d’écoulements environnementaux intégrant une bathymétrie réelle. Ces simulations, validées par rapport à des mesures in situ, mènent à une meilleure compréhension des effets du fond marin sur la turbulence en milieu hydrolien. En particulier, l’importance des failles géologiques dans la génération de turbulence dans la zone d’étude est mise en évidence. / Renewable energy development calls for exploitation of new energy resources. Tidal stream power harvesting is now close to the industrialisation step. Still, turbulent hydrodynamic conditions at tidal sites are not well understood. This thesis aims to investigate the local scale effect of sea bottom roughnesses on energetic vortex generation with computational fluid simulations using the lattice Boltzmann method. This method is highly indicated for unsteady flow simulations of complex domains. First, the physical phenomena involved in vortex emission around canonical macroroughnesses are described. Vortex merging is identified in the generation process of energetic vortices. Then, such physical events are reproduced in the case of environmental flow simulations using a real seabed morphology. These simulations are validated on in situ measured data, and lead to a better understanding of the sea bottom effect on tidal stream site turbulence. They demonstrate the role of geological faults on the local turbulence.