À IP Paris, Jeffrey Harris simule les vagues déferlantes pour améliorer la sécurité des structures en mer

En mer, les structures comme les éoliennes flottantes subissent régulièrement les assauts des vagues. Parmi ces « ondes de surface libre » - comme les appellent les chercheurs - les vagues déferlantes ont un impact très fort et limité dans le temps pouvant provoquer des submersions ou de fortes vibrations sur ces structures. Jeffrey Harris, chercheur à l’École nationale des ponts et chaussées et membre du Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant, développe des outils pour étudier finement les vagues déferlantes et les contraintes mécaniques qui y sont associées.

Le chercheur a ainsi pris part aux projets DIMPACT et DIMPACT +, pilotés par France Energies Marines. L’objectif de ces opérations est d’étudier la physique complexe de ces vagues et les forces qu’elles transmettent afin de rendre l’éolien en mer plus fiable et moins couteux.

Les travaux de Jeffrey Harris consistent alors à modéliser les vagues et à les simuler numériquement. « Nous cherchons à comprendre comment l’onde se forme, progresse pour arriver sur la structure, et comment elle l’impacte. Une des questions à laquelle nous tentons alors de répondre est : quel est le facteur qui détermine la puissance de la vague ? », explique le scientifique.

Vagues numériques, simplicité et précision

Si certains chercheurs utilisent un canal à houle pour reproduire en laboratoire les phénomènes survenant en mer, Jeffrey Harris est spécialiste de leur version numérique : les numerical wave tanks. « Les premiers ont vu le jour dans les années 70 et 80. Ils permettent de mesurer plusieurs grandeurs physiques et de faire varier de nombreux paramètres, à la demande, en tout point de la vague. C’est un avantage précieux par rapport aux canaux à houle classiques, souvent plus coûteux et plus difficiles à instrumenter ».

Grâce à ces dispositifs, Jeffrey Harris parvient à détecter et modéliser avec finesse le déferlement des vagues tout en limitant le nombre de calculs. « Nous cherchons à créer des modèles simplifiés qui ne nécessitent pas de super calculateurs coûteux en termes de ressources. Nous sélectionnons des valeurs pertinentes qui nous permettront de simuler précisément l’impact d’une vague sur une structure ».

Ces travaux ont par ailleurs permis d’isoler certains paramètres déterminants comme le ratio entre vitesse du fluide (l’eau) et vitesse de la vague. « Au-delà d’une certaine valeur, il y a de fortes probabilités pour que la vague déferle. C’est un point qui intéresse beaucoup la communauté et les industriels », souligne le chercheur.

Parallèlement, d’autres recherches se concentrent sur la prise en compte, dans le modèle, de la dissipation de l’énergie portée par les vagues déferlantes. L’objectif est ici d’écarter les approximations habituelles qui ne tiennent pas compte de ce phénomène. « Lorsqu’une vague déferle, la dissipation d’énergie via les turbulences, les écoulements, la mousse et l’air emprisonné à sa surface est systématique. Elle a une incidence sur les structures en mer. Il est donc important de la déterminer avec précision afin d’adapter au mieux ces dernières », ajoute Jeffrey Harris.

De nouveaux standards pour l’industrie

Les travaux du chercheur et de ses partenaires ouvrent de nouvelles perspectives pour les industriels du secteur maritime. « Ils alimentent un ensemble de standards désormais plus réalistes et plus précis permettant aux fabricants de structures en mer d’ajuster leurs coûts de production ».

Jeffrey Harris est Chargé de Recherche à l'École nationale des ponts et chaussées (ENPC) au sein du Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant. Spécialiste de l'hydrodynamique marine, ses recherches se concentrent sur la modélisation numérique haute-fidélité des vagues déferlantes et leurs impacts sur les structures offshore, avec une application forte aux énergies marines renouvelables (comme l'éolien flottant). Originaire des États-Unis, il a étudié l'ingénierie océanique à l'Université de Rhode Island, où il a obtenu son doctorat en 2011. Il est arrivé en France en 2012 pour réaliser un post-doctorat à l'ENPC, institution au sein de laquelle il poursuit depuis sa carrière de chercheur. Il est également titulaire d'une Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) obtenue en 2017.

>> Jeffrey Harris sur Google Scholar
>> La page de Jeffrrey Harris sur le site du LHSV