Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI)

Établissement(s) de tutelle :

Unité Mixte de Recherche (UMR 5519) du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l’institut national polytechnique de Grenoble (Grenoble INP) et de l’Université Grenoble-Alpes (UGA).

Discipline(s) scientifique(s) :

• Mécanique des fluides et transferts appliqués à l'environnement et à l'énergie

Thématiques du GDR :

• Énergie océanique
• Énergie du vent
• Énergie hydraulique

Activités et thématiques génériques de votre structure :

ENVIRONNEMENT :

• Pollution atmosphérique
• Transport et mélange dans l'atmosphère et l'océan
• Transport sédimentaire
• Ingénierie de l'environnement
• Érosion du littoral

ÉNERGIE

• Énergies renouvelables : hydroliennes et éoliennes
• Transferts thermiques
• Machines hydrauliques et cavitation
• Écoulements diphasiques
• Turbulence
• Simulation numérique d'écoulements industriels complexes
• Bioréacteurs
• Aéro-acoustique et santé

Moyens (installations expérimentales, infrastructures de calcul, logiciels, …) :

LA PLATEFORME CORIOLIS
13 m de diamètre, 6 tr/min.
Turbulence en rotation et stratifiée en densité, Dynamique des fluides géophysiques, transport sédimentaire

LE CANAL À HOULE
36 m de longueur, 1.3 m de profondeur.
Hydrodynamique de la zone de déferlement, Morphodynamique des plages sableuses, Mécanique de la houle et des ondes de gravité. Interactions sol-structure-écoulement.

LA SOUFFLERIE À BAS NIVEAU DE TURBULENCE
Vitesse de 0 à 60 m/s.
Contrôle de la turbulence pariétale, Diffusion d’un scalaire passif,  Transport turbulent, Mesure de vorticité en turbulence développée, Grille active.

LE TUNNEL HYDRODYNAMIQUE
Puissance de 165 kW, débit maxi de 0.65 m3/s.
Écoulements rapides cavitants et supercavitants, Banc d’essais pour hydroliennes.

LA BOUCLE PRÉVÉRO D'ÉROSION DE CAVITATION
Puissance de 80 kW, pression maxi de 40 bar.
Érosion de cavitation,  Transferts thermiques et ébullition nucléée en mini-canaux, Essais hydrauliques.

LE CENTRE DE TRAITEMENT AUTOMATISÉ
28 noeuds de calcul, 1.8 pétaoctets de données.
Calculs hautement parallèles de simulations numériques et de traitement de données expérimentales.

Projets de recherche récents sur les EMR :

Projet OPTIDE (2021-2024) :  porté par Stefan Hoerner de l'Université Otto von Guericke (OvGU, Magdebourg, Allemagne). Ce projet vise à optimiser les performances d'une hydrolienne à axe vertical grâce au contrôle actif du calage de ses pales. Les actuateurs seront développés par le Laboratory of Electric Drive Systems (OvGU), l'optimisation des lois de calages sera effectuée expérimentalement par le Laboratoty for Fluid Dynamics and Technical Flows (OvGU) et l'étude CFD sera effectuée par le Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI). Le projet est principalement financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) avec un co-financement du labex Tec21 pour une thèse en co-tutelle entre l'Université Otto von Guericke et le LEGI. Cette thèse est encadrée par Prof. Dominique Thévenin et Stefan Hoerner à OvGU, ainsi que par Prof. Yves Delannoy, Cyrille Bonamy et Pierre-Luc Delafin au LEGI.

Projet DYNEOL (2018 -2021) : proposé par les laboratoires CORIA, LEGI, LML et PPRIME, est un projet de recherche fondamentale qui a pour but de quantifier la dynamique de l’écoulement autour d’une pale en fonction de l’écoulement amont. Ce dernier peut être composé de différentes familles de structures cohérentes ou avoir un cisaillement moyen dû à une couche limite de grande taille. La pale peut elle-même être fixe ou en rotation. Ces situations sont rencontrées sur les éoliennes/hydroliennes et ne sont pas prises en compte dans les modèles de performance globale. Pour étudier les interactions de la turbulence amont avec la pale, une démarche originale est suivie : des diagnostics optiques et des simulations haute-fidélité vont être mis en œuvre pour analyser le budget conditionné d’énergie cinétique. Cette analyse innovante sera complétée par des méthodes d’analyse éprouvée telle que la Proper Orthogonal Decomposition ou la Dynamic Mode Decomposition mais qui seront appliquées pour la première fois à ce type d’écoulement. Des configurations d’aile fixe et mobile seront étudiées. La PIV 2D et 3D sera comparée à des simulations aux grandes-échelles pour évaluer la qualité des différentes approches et comprendre ces interactions. Le projet est financé par l’ANR.

Projet NETHUNS (pour Nouvelles Évolutions des Turbines Hydroélectriques grâce à l'Utilisation d'un Nouvel outil de Simulation) : lancé par General Electric Hydro France et le LEGI (dans le cadre des programme chaires industrielles, Edition 2021) a pour ambition de comprendre les instabilités hydrodynamiques qui peuvent apparaître dans les centrales hydroélectriques, et ainsi proposer des designs innovants de turbines. Pour atteindre cet objectif, le projet développera un outil de simulation innovant qui tirera pleinement avantage des nouvelles opportunités offertes par la croissance de la puissance de calcul. Le projet relèvera tous les défis en lien avec l’analyse avancée des écoulements dans les turbines hydroélectriques à partir de simulations de hautes-fidélités. Le projet sera donc composé de deux axes principaux : (i) l’analyse des phénomènes hydrodynamiques, et (ii) le développement de nouvelles stratégies de simulation. Le principal objectif des nouvelles turbines est de fonctionner efficacement sur une large gamme de points d’opération pour permettre l’intégration des énergies renouvelables intermittentes. Cela nécessite de mieux comprendre les écoulements turbulents dans les turbines, afin de contrôler leurs conséquences.
Pour réaliser des percées significatives sur la compréhension de tels écoulements complexes, une nouvelle approche de simulation doit être proposée. L’objectif d’un tel outil est d’obtenir une description des instationnarités de l’écoulement avec un coût de calcul accessible. Dans ce projet, de nouveaux développements seront réalisés dans le code YALES2, l’un des codes les plus performants actuellement. Ces développements consisteront à proposer des méthodes numériques précises et robustes pour éviter des surcoûts liés à des contraintes numériques. De plus, puisqu’il n’est pas encore possible de résoudre explicitement toutes les échelles spatiotemporelles des écoulements turbulents dans une configuration industrielle, certaines échelles doivent être modélisées. Un objectif est ainsi de développer une stratégie de modélisation pour permettre une fiabilité optimale, avec un niveau de description de l’écoulement suffisant, et à un coût de calcul réduit. Au-delà de ces deux axes de recherche, le projet permettra une nouvelle synergie entre les partenaires avec une implication du partenaire industriel dans le développement du code. Une part du projet NETHUNS sera également consacrée à la formation dans le domaine de « la simulation avancée pour le design de systèmes énergétiques » à différents niveaux : par la formation continue des ingénieurs, par un réseau réunissant doctorants, post doctorants et ingénieurs, et par un renforcement de cette thématique dans le programme de l’école d’ingénieur ENSE3.

Publications récentes à thématique EMR :

• Delafin, P.-L.; Deniset, F.; Astolfi, J.A.; Hauville, F., 2021. Performance Improvement of a Darrieus Tidal Turbine with Active Variable Pitch. Energies, vol.14 (3), pp.667
• Doussot, F., Balarac, G., Brammer, J., Laurant, Y., Métais, O., 2020. RANS and LES Simulations at Partial Load in Francis Turbines: Three-Dimensional Topology and Dynamic Behaviour of Inter- Blade Vortices. International Journal of Fluid Machinery and Systems, vol. 13, Issue 1, pp. 12-20
• Guillaud, N., Balarac, G., Goncalves Da Silva, E., Zanette, J., 2020. Large Eddy Simulations on Vertical Axis Hydrokinetic Turbines – Power coefficient analysis for various solidities. Renewable Energy, vol.147, pp. 473-486. 
• Hoerner, S., Bonamy, C., 2019. Structured-light-based surface measuring for application in fluid–structure interaction. Experiments in Fluids. vol. 60, pp.168,
• Achard, J.-L., 2017. Floating wind turbine having twin vertical axis turbines with improved efficiency. WO2017153676 (A1).14 Septembre 2017.

Thèses récentes à thématique EMR :

• Guilbot, M. (2021). Analysis and optimization of vertical-axis and cross-flow turbines performance with numerical computations. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes.
• Hoerner, S. (2020). Characterization of the fluid-structure interaction on a vertical axis turbine with deformable blades. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes ; Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg,
• Doussot, F. (2019). Simulation numérique de l’écoulement de charge partielle dans les turbines Francis : analyse de la topologie et de la dynamique des vortex inter-aubes. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes.
• Clary, V. (2019). Développement d’un modèle simplifié 3D pour le calcul de parcs d’hydroliennes – Validation expérimentale. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes.
• Guyot, G. (2019). Contribution à la caractérisation des processus d’entraînement d’air dans les circuits d’aménagements hydro-électriques. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes.

Localisation :

 Laboratoire LEGI,
1209-1211 rue de la piscine, Domaine Universitaire
38400 Saint Martin d’Hères, France

Site web :

www.legi.grenoble-inp.fr