Parametric study of regularisation models of vortex filaments for the improvements of aerodynamic modelling of wind turbine wakes

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un organisme public de recherche, d’innovation et de formation dont la mission est de développer des technologies performantes, économiques, propres et durables dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. 

IFPEN met à disposition de ses chercheurs un environnement de recherche stimulant, avec des équipements de laboratoire et des moyens de calcul très performants.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

• l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
• la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Etude paramétrique des modèles de régularisation de filaments vortex pour l'amélioration de la simulation aérodynamique de sillages d'éoliennes.

The aerodynamic simulation of wind turbines requires modelling approaches that are both computationally efficient and physically accurate, particularly during design phases when industry needs to run extensive calculation campaigns to explore a wide range of scenarios.

The Blade Element Momentum (BEM) method is widely used in the wind energy sector because of its low computational cost, but it remains a low-fidelity approach. In contrast, the Free Vortex Wake (FVW) method provides a more realistic representation of physical phenomena by explicitly modelling the turbine’s wake and its interaction with the blades [1].

However, this higher fidelity approach also comes with limitations, including potential issues with numerical stability and uncertainties in accuracy depending on the chosen parameters.

CASTOR [2] is a FVW solver developed at IFPEN for the aerodynamic modelling of wind turbines. It uses a Lagrangian formulation of the fluid dynamics equations, where the wake is represented by vorticity elements (vortex filaments in this case). The interaction between these filaments is computed on GPU using the Biot–Savart equation, which by nature contains a singularity that must be addressed through regularisation techniques [3]. The parametric study of these regularisation methods is the main focus of this internship.

La simulation aérodynamique des éoliennes nécessite des méthodes de modélisation à la fois rapides et représentatives de la physique, notamment pour les phases de design où les industriels doivent réaliser des campagnes de calculs afin d’explorer un grand nombre de scénarios.

La méthode Blade Element Momentum (BEM) est très répandue en raison de son faible coût de calcul, mais il s’agit d’une approche de basse fidélité. La méthode Vortex, ou Free Vortex Wake (FVW), est plus représentative des phénomènes physiques car elle modélise explicitement le sillage de l’éolienne et son interaction avec les pales [1].

Cependant, cette approche s’accompagne de limitations, notamment des problèmes potentiels de stabilité numérique et des incertitudes sur la précision en fonction des paramètres utilisés.

CASTOR (Code Aérodynamique pour la Simulation de Turbines OffshoRe) [2] est un solveur de type vortex développé par des ingénieurs d’IFP Energies nouvelles pour la modélisation aérodynamique des éoliennes. Ce code utilise une formulation Lagrangienne des équations de la dynamique des fluides, dans laquelle le sillage est représenté par des éléments de vorticité (filaments). L’interaction entre ces filaments est calculée sur GPU à l’aide de l’équation de Biot–Savart.

Par définition, cette équation présente une singularité qu’il est nécessaire de traiter par des méthodes de régularisation [3] dont l’étude paramétrique constitue l’objet principal de ce stage.

Voir simulations : https://ifpen-discourse.appcollaboratif.fr/t/castor-gpu-based-vortex-solver/158

Description :

This internship aims to deepen the understanding and assess the limitations of the modelsimplemented in CASTOR. The intern will first carry out a literature review to become familiar with vortex methods and the models used in the code. They will then prepare and run simulations and analyze the wakes generated by CASTOR. Parametric studies will be conducted to compare results across different parameters and models. The results will be summarized and presented to the team and compared to reference data from the literature.
The main goals are to identify the most influential parameters, propose suitable values to better capture wake physics, and highlight the limitations of the methods. Practical recommendations may also be formulated to help future users adjust the models and parameters according to their specific needs.

Ce stage a pour objectif d’approfondir la compréhension et d’évaluer les limitations des modèles utilisés dans CASTOR.

• Le/la stagiaire sera amené(e) à réaliser dans un premier temps une étude bibliographique afin de se familiariser avec la méthode vortex et avec le code.
• Il/elle sera ensuite amené(e) à préparer et lancer des simulations puis à analyser les sillages générés par CASTOR.

Des études paramétriques seront menées afin de comparer les résultats obtenus pour différents paramètres et modèles. Les résultats seront présentés de manière synthétique aux équipes et confrontés à des données de référence issues de la littérature.

L’objectif est d’identifier les paramètres les plus influents, de proposer des valeurs adaptées pour mieux représenter la physique des sillages et de mettre en évidence les limitations de la méthode. Des recommandations pratiques pourront également être formulées pour aider les futurs utilisateurs à ajuster les modèles selon leurs besoins.

key-words: wind turbines, vortex, free vortex wake

1. Branlard, E. (2020). Wind turbine aerodynamics and vorticity-based methods.
2. Blondel, F., Joulin, P. A., & Le Guern, C. (2024, June). Towards vortex-based wind turbine design using GPUs and wake accommodation. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 2767, No. 5, p. 052016). IOP Publishing.
3. Corniglion, R. (2022). Aero-elastic modeling of floating wind turbines with vortex methods (Doctoral dissertation, École des Ponts ParisTech).

Profile and required skills: 

5th year Engineering cycle/master in Fluid Dynamics or Applied Mathematics, Python

• programming, working level in English, good interpersonal and communication skills.

Practical informations:

Start: February/April 2026
Duration: 6 months
Adress: IFP Energies nouvelles, 1-4 Av. du Bois Préau, 92852 Rueil-Malmaison, France