Éoliennes : comment simuler un air ordonné et chaotique ?

Intervenant 10:00

Bienvenue dans le podcast du magazine Tangente.

Intervenant 20:02

Bonjour à toutes

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et à tous. Ravi d'accueillir celles et ceux qui nous écoutent pour cette nouvelle exploration au cœur des sciences. Aujourd'hui, on va s'attaquer à une image que tout le monde a forcément en tête. Bah oui, une image

Intervenant 20:13

très classique.

Intervenant 10:15

Voilà. Si on s'imagine en voiture en train de traverser une grande plaine ou même en regardant l'horizon depuis la côte, au loin, on aperçoit toujours ces immenses pales blanches d'une éolienne. Elles tournent lentement.

Intervenant 20:27

Très lentement, avec cette espèce de majesté super régulière.

Intervenant 10:32

C'est exactement ça. C'est une vision qui dégage un calme profond. Ça donne une impression d'ordre parfait, de tranquillité absolue. Sauf que notre analyse d'aujourd'hui va démontrer que cette belle image, c'est un mensonge monumental.

Intervenant 20:44

Ah ça c'est clair. C'est une très belle façade géométrique, mais la réalité physique que ces machines affrontent en permanence, elle est d'une violence inouïe.

Intervenant 10:55

C'est fou de se dire ça.

Intervenant 20:56

Ce que notre œil perçoit comme une douce rotation, en fait, c'est le moteur d'un véritable chaos.

Intervenant 11:01

Et c'est justement ce qui ressort d'un article fascinant sur lequel on se base aujourd'hui. Un article qui est co-rédigé par trois chercheurs de l'IENSA, Rouen, Normandie. Alors on a Pierre Bénard, Eugénie Gourichon et Christian Goutte.

Intervenant 21:15

Exactement, une très belle équipe.

Intervenant 11:17

Et leurs travaux nous révèlent que derrière cette tranquillité apparente, il se joue une bataille atmosphérique invisible, une tempête d'une complexité folle.

Intervenant 21:26

C'est vraiment le

Intervenant 11:27

mot, oui. Donc la mission de notre discussion d'aujourd'hui, c'est de comprendre un peu l'anatomie de cette brutalité qu'on ne voit pas. Et surtout, et c'est là que ça devient passionnant, de voir comment des outils mathématiques extrêmement sophistiqués sont déployés pour dompter ce désordre.

Intervenant 21:43

Pour optimiser notre production d'électricité en fin de compte.

Intervenant 11:46

C'est ça. Le contraste est quand même vertigineux entre ce qu'on perçoit et ce que disent les équations.

Intervenant 21:51

Ah bah c'est le jour et la nuit. Les équations de la mécanique des fluides nous racontent une toute autre histoire. Parce que l'air, même si pour nous ça semble immatériel, c'est pas un espace vide.

Intervenant 12:01

On l'oublie souvent.

Intervenant 22:02

C'est pas juste un vide que la pale se contente de traverser. C'est un fluide complexe. C'est lourd et ça a ses propres règles.

Intervenant 12:09

Donc si on veut espérer tirer le maximum d'énergie du vent, le premier obstacle, ce n'est pas la machine elle-même.

Intervenant 22:15

Ce qu'on appelle en mécanique des fluides son sillage.

Intervenant 12:18

Bon, on va décortiquer tout ça. Que se passe-t-il vraiment au niveau microscopique ou même juste à l'échelle de l'hélice quand une pâle géante vient fendre l'air ?

Intervenant 22:28

Alors pour comprendre ça, il faut chausser ses lunettes d'aérodynamicien.

Intervenant 12:31

D'accord, je les

Intervenant 22:32

mets. La pale d'une éolienne, elle est profilée exactement de la même manière que l'aile d'un avion de ligne.

Intervenant 12:36

Avec ce côté un peu bombé.

Intervenant 22:37

Voilà, c'est ça. Quand elle coupe l'air à grande vitesse, sa forme asymétrique force l'air à accélérer d'un côté et à ralentir de l'autre.

Intervenant 12:45

Ok.

Intervenant 22:45

Et ça, ça crée une zone de dépression, une sorte de vide partiel d'un côté de la pale et une surpression de l'autre. C'est d'ailleurs cette force d'aspiration qui fait tourner le rotor.

Intervenant 12:55

Jusqu'à là, tout va bien.

Intervenant 22:55

Sauf que la nature a horreur des déséquilibres, tu vois.

Intervenant 12:59

Oui, l'air sous haute pression veut absolument rejoindre la zone de basse pression.

Intervenant 23:03

Exactement. Il n'a qu'une seule obsession, c'est rétablir l'équilibre.

Intervenant 13:07

Ça me fait penser, c'est un peu comme un ballon de baudruche qu'on aurait trop gonflé et qui cherche la moindre faille pour expulser son air.

Intervenant 23:15

C'est une super image. Et sur une pâle d'éoliennes, ces failles, elles se trouvent aux extrémités.

Intervenant 13:20

Au bout de la pâle ?

Intervenant 23:21

Oui, tout au bout de la pâle. Et aussi près du moyeu central. L'air s'échappe par ce qu'on appelle le bord de fuite et il se met à tourbillonner sur lui-même. Ça crée des structures qu'on appelle des vortex.

Intervenant 13:31

Mais comme l'éolienne tourne en permanence et que le vent souffle, ces tourbillons ne restent pas sur place j'imagine ?

Intervenant 23:36

Ah bah non, ils sont balayés vers l'arrière en aval de la machine.

Intervenant 13:40

Donc la pâle laisse vraiment une trace derrière elle ?

Intervenant 23:43

Une trace qui, au tout début, est d'une beauté mathématique vraiment remarquable.

Intervenant 13:47

C'est-à-dire ?

Intervenant 23:48

Tant que le vent est modéré et que la vitesse de rotation est plutôt faible, ces tourbillons s'enroulent dans l'espace pour former de magnifiques structures en hélices.

Intervenant 13:56

Oh, genre une double hélice d'ADN ou quelque chose comme ça, ouais.

Intervenant 23:59

Un peu oui. Imagine un tire-bouchon géant, totalement invisible, dont les spires s'étireraient sur des centaines de mètres derrière l'éolienne. L'écoulement reste stable, il est prévisible et très ordonné.

Intervenant 14:11

D'accord. Sauf que, arrête-moi si je me trompe, le but d'une éolienne c'est pas de tourner au ralenti pour faire de jolies figures invisibles.

Intervenant 24:18

Non, le but, c'est de produire des mégawatts.

Intervenant 14:20

Voilà. Donc, quand le vent forcit et que le rotor accélère, ce beau tire-bouchon, il commence à souffrir, non ?

Intervenant 24:27

Oh, il ne fait pas que souffrir, il s'effondre totalement.

Intervenant 14:29

Ah ouais, à ce point.

Intervenant 24:31

À mesure que la vitesse augmente, ces spirales parfaites perdent leur équilibre. Les tourbillons se rattrapent les uns les autres, ils se percutent, ils fusionnent.

Intervenant 14:41

C'est un carambolage atmosphérique, en fait.

Intervenant 24:43

C'est exactement ça. Il se déchire en d'innombrables petits vortex secondaires. Tout le système bascule dans l'instabilité complète. D'ailleurs, les chercheurs de l'INSA utilisent une expression géniale dans leur article pour qualifier cette phase.

Intervenant 14:57

Ah oui, je l'ai noté, c'est ma préférée.