Refinement of a mesoscale model for large eddy simulation

L’avenement de la technologie eolienne s’est accompagne de l’arrive a maturite des methodes pour predire et prevoir le vent. Toutefois, leurs resultats dependent encore des sites etudies, et leurs limites commencent a etre atteintes avec l’augmentation de la taille des parcs et des eoliennes modernes. Certains des processus en presence sont maintenant a la limite des microechelles et des mesoechelles. Les objectifs de la these sont donc d’identifier, d’implementer et d’evaluer une approche capable de modeliser les ecoulements dans la couche limite atmospherique (CLA) a ces echelles en considerant les defis lies aux applications eoliennes. Une revue de la modelisation des ecoulements de la CLA allant des microechelles aux mesoechelles est tout d’abord realisee. La combinaison des approches mesoechelle/simulation aux grandes echelles (SGE) ressort comme etant la plus prometteuse, et le Modele Mesoechelle Compressible Communautaire (MC2) est choisi comme point de depart auquel sont ajoutes et implementes les elements requis pour la SGE. S’en suivent, la description detaillee du modele mathematique et des aspects numeriques de la version de MC2 adaptee pour la SGE. Ainsi, l’approche proposee est clairement illustrees tant dans son ensemble, qu’au niveau des specificites de son implementation. Cela inclus les ameliorations et les nouvelles composantes de la methode (separation du traitement des parties volumetriques et deviatoriques du tenseur de Reynolds, discretisation verticale, modeles de sous-mailles, diffusion turbulente 3D, equation prognostique 3D de l’energie cinetique turbulente), ainsi que les adaptations de son mode operatoire permettant la SGE (initialisation, forcages geostrophiques grande echelle, condition limites de surface et laterales). Finalement, les aspects fondamentaux et les nouvelles composantes de l’approche proposee sont evalues base sur des cas 1D de couche limite d’Ekman et des cas 3D et instationnaires de CLA complete neutre et convective au dessus d’une surface homogene. Cela permet de finement evaluer : le noyau dynamique a haute resolution ; la discretisation spatiale et temporelle de la diffusion turbulente 3D ; cinq modeles de sous-maille ; et la sensibilite du modele aux parametres numeriques principaux. De plus, letude detaillee des cas tests 3D demontre que des intervalles de temps plus long que dans l’etude de reference sont necessaires a cause d’une dispersion importante mais normale dans les resultats. En definitive, il est prouve que le modele mesoechelle adapte pour la SGE est aussi performant que les modeles SGE equivalents, quoique sensiblement plus dissipatif. Il est donc demontre que les modifications apportees a MC2 lui permettent d’operer tant aux microechelle qu’aux mesoechelles, ce qui represente une base solide pour des etudes plus avancees.