HAIAM est une plateforme de recherche technologique d'Aix-Marseille Université, intégrée à la Fédération de Recherche Pythéas et hébergée par l'IRPHE (UMR 7342).
Infrastructure expérimentale pour la dynamique vent-vagues-structures
Capacités et services expérimentaux
1. Aperçu
HAIAM (Hydrodynamique et Aérodynamique à l’Interface Air-Mer) est une plateforme de recherche expérimentale intégrée dédiée à la physique des interactions air-mer. Elle est conçue pour générer des jeux de données haute fidélité et reproductibles permettant de caractériser la dynamique microphysique de l’interface air-eau, notamment le couplage vent-vagues, la turbulence interfaciale, les embruns, les interactions entre la structure des vagues et le déferlement. La plateforme contribue à la fois à la recherche académique et à la validation industrielle grâce à des installations contrôlées, une métrologie de pointe et un système de traitement des données complet.
Statut : Référence mondiale pour la recherche sur les interactions air-mer, grâce à une quantification expérimentale de haute précision de la dynamique interfaciale, des contraintes visqueuses et de forme, et de la microphysique des vagues, permettant une validation rigoureuse des modèles et des décisions d’ingénierie concrètes. Ce statut a été récemment confirmé par l’obtention du label « Plateforme technologique d’Aix-Marseille ».
Pourquoi est-ce important ?
• Quantifie les échanges d'énergie, de quantité de mouvement et de masse à l'interface, là où les modèles climatiques et maritimes sont les plus sujets aux erreurs.
• Fournit des mesures moyennées sur la phase, adaptées à la validation d'études numériques instationnaires.
• Permet de contrôler le vent, les vagues et les mouvements en laboratoire, sans les aléas des campagnes de terrain.
• Aborde les problématiques d'ingénierie liées aux enjeux environnementaux dans le domaine du génie maritime.
2. Installations expérimentales primaires
HAIAM met en œuvre des installations complémentaires pour reproduire les conditions océaniques avec un contrôle en laboratoire. Ses principaux équipements comprennent des canaux couplés vent-vagues, un canal à houle entièrement vitré et un simulateur de mouvement à 6 degrés de liberté.
Technopôle de Château Gombert
Canal a Houle (fully glazed wave flume).
• Type : Canal à houle entièrement vitré de 17 m.
• Génération de vagues : générateur de vagues à clapets, régulier ou irrégulier, jusqu’à 25 cm d’amplitude crête à crête.
• Applications : propagation et déferlement des vagues, turbulence de surface, entraînement d’air, interaction vagues-structures, modélisation de la protection côtière.
• Capteurs : houlographes, transducteurs de pression, systèmes PIV et ADV, caméras haute vitesse.
MISTRAL 6-DoF hexapod (Stewart platform)
• Simulateur de mouvement à 6 degrés de liberté pour la reproduction des mouvements de plateformes en mer (plateformes flottantes offshore, navires, systèmes de lancement de drones).
• Charge utile jusqu'à 1 tonne ; accélération jusqu'à 1 g ; translation ± 0,5 m ; rotation ± 30°.
• Réplication de mouvement en temps réel à partir de données CFD ou expérimentales grâce à un logiciel de contrôle propriétaire.
Campus de Luminy, Marseille
LASIF (Large Air-Sea Interaction Facility)
• Canal de 40 m pour la génération de vent et de vagues.
• Flux d'air : circuit fermé jusqu'à 15 m/s ; turbulence inférieure à 0,5 %.
• Générateur de vagues : hélice immergée pour vagues régulières et irrégulières.
• Diagnostic : double caméra PIV, thermographie infrarouge, balances de forces, capteurs acoustiques.
MASIF (Medium Air-Sea Interaction Facility)
• Réplique à l'échelle 1:5 environ du LASIF, avec soufflerie et canal hydrodynamique à accès optique complet.
• Vent : jusqu'à 18 m/s avec circuit d'air fermé.
• Distance de parcours de l'eau : 8 m ; générateur de vagues à clapet.
• Objectif : physique couplée du vent, des vagues et des embruns, et processus interfaciques.
3. Aperçu de la recherche
Les projets HAIAM reposent sur des conditions aux limites maîtrisables, une synchronisation précise et une grande répétabilité. L'objectif est simple : déterminer les phénomènes physiques sous-jacents grâce à une autorité de mesure et fournir des données immédiatement exploitables.
A. Chargement impulsif généré par l'effondrement d'une cavité d'air | Canal à Houle :
L'imagerie à haute vitesse, synchronisée avec les mesures de pression, permet de visualiser la fermeture des cavités, le piégeage des bulles et les variations de charge transitoires. L'alignement des données permet d'obtenir des statistiques robustes sur les pressions extrêmes et la variabilité des impacts.
B. Interaction onde-structure induite par le mouvement | Hexapode
Les expériences réalisées à l'aide d'hexapodes reproduisent des mouvements multiaxiaux réalistes afin d'étudier les charges hydrodynamiques, l'atténuation des vagues et la réponse des structures soumises à la houle. Cette capacité est essentielle pour les questions de fiabilité en mer, où la cinématique et les forces appliquées sont indissociables.
C. Interaction contrôlée vague-structure dans l'installation éolienne et houlomotrice LASIF :
Des expériences menées sur des structures marines à échelle réduite et des modèles de navires permettent d'étudier les charges hydrodynamiques, la montée en puissance et la réponse dynamique dans des conditions de mer réalistes. En combinant des champs de vagues programmables et une force de vent contrôlée, LASIF reproduit des conditions opérationnelles et extrêmes afin de quantifier les charges structurelles, les limites de stabilité et les mécanismes de couplage écoulement-structure pertinents pour l'ingénierie offshore et maritime.
D. Évolution non linéaire et dynamique spectrale des vagues de vent | LASIF
Un axe de recherche central porte sur l'influence du vent sur les champs de vagues au-delà de la zone de fetch. Des mesures spatialement résolues réalisées le long de l'installation révèlent un élargissement spectral, des décalages de fréquence et une modulation d'enveloppe associés à la dynamique non linéaire des vagues. Ces expériences fournissent des preuves expérimentales rares de la transformation spectrale et de la redistribution d'énergie induites par le vent, essentielles à la compréhension des vagues extrêmes, des échanges d'énergie air-mer et des modèles de prévision des vagues.
E. Physique des écoulements instationnaires et aérodynamique des dispositifs rotatifs | LASIF
LASIF permet des diagnostics d'écoulement avancés autour des systèmes mobiles et rotatifs exposés au vent. Des bancs d'essai dédiés, associés à la vélocimétrie par images de particules (PIV) à résolution de phase, permettent la reconstruction de structures tourbillonnaires cohérentes, de la dynamique du sillage et des charges instables. Ces travaux portent sur les forces induites par l'écoulement, les mécanismes d'instabilité et l'optimisation des performances des dispositifs environnementaux et marins rotatifs fonctionnant dans des couches limites atmosphériques ou marines turbulentes.
F. Protection côtière et submersion sous l'effet du vent | Canal à Houle et LASIF
Les recherches sur les ouvrages côtiers étudient la transformation, le déferlement et le franchissement des vagues sur les enrochements et les ouvrages de protection en pente. Des expériences quantifient l'influence du vent sur le spectre des vagues, l'augmentation du débit de franchissement et les variations des charges hydrauliques. Les résultats sont comparés directement aux référentiels de conception internationaux afin d'améliorer la précision des prévisions et de faciliter la conception d'infrastructures côtières résilientes face aux conditions combinées de vent et de vagues.
3. Instrumentation et métrologie
HAIAM déploie un ensemble de mesures de haute précision, conforme aux normes, conçu pour étudier la dynamique rapide de l'interface air-eau et les phénomènes d'écoulement transitoires. L'instrumentation comprend la détection de l'élévation des vagues, l'anémométrie de la couche limite, la vélocimétrie optique (PIV), l'imagerie à haute vitesse, la tractographie, la thermographie infrarouge, les mesures acoustiques et de pression, ainsi qu'un déclenchement et une acquisition de données entièrement synchronisés.
L'infrastructure expérimentale repose sur des systèmes de qualité industrielle provenant de fabricants leaders, tels que Dantec Dynamics, AMTI (Advanced Mechanical Technology, Inc.), National Instruments, Vision Research (Phantom) et PCB Piezotronics, garantissant une précision de mesure élevée, une excellente répétabilité et une synchronisation robuste pour les expériences multi-capteurs.
6. Réalisations marquantes
• Quantification directe des contraintes visqueuses au sein de la sous-couche linéaire microscopique, permettant des estimations explicites du transfert d'énergie du vent au courant.
• Corrélation pression-pente dans un modèle de suiveur de vagues pour une inférence robuste de la traînée de forme en conditions de surface mobile.
• Simulation reproductible du déferlement plongeant à l'aide d'un écoulement impulsionnel de type « bosse de fond » pour le moyennage d'ensemble du renversement du jet, de la production d'énergie cinétique turbulente (TKE) et de sa dissipation.
• Intégration inter-installations avec acquisition de données partagée, déclenchements synchronisés et pipeline de données commun pour une reproductibilité et une comparaison rapide à différentes échelles.
7. Services et livrables types
HAIAM soutient les projets d'innovation, de dimensionnement et de caractérisation par le biais de la recherche collaborative et de campagnes de services. Les livrables types comprennent des jeux de données structurés, des statistiques moyennées sur la phase, la quantification des incertitudes et des données prêtes à l'emploi pour la validation LES et les boucles de conception technique.
1. Caractérisation PIV 3D des champs de vitesse aérodynamique autour d'un modèle.
2. Comportement aérodynamique et caractérisation des contraintes d'objets placés dans un écoulement contrôlé de vent sur vagues.
3. Caractérisation de la turbulence générée par des obstacles ou des modèles dans des écoulements d'air ou d'eau.
4. Études d'interaction fluide-structure entre un écoulement laminaire ou turbulent et des structures vibrantes ou déformables.
5. Études d'interaction aéroacoustique entre un écoulement et des cavités ou des enceintes.
6. Caractérisation du déferlement des vagues et de l'entraînement d'air par imagerie haute vitesse, sondes de vagues et capteurs de pression.
7. Campagnes de réplication de mouvement à l'aide de l'hexapode à 6 degrés de liberté, incluant la relecture CFD-expérimentation.
8. Projets et collaborations récentes (2022-2025)
Parmi les projets représentatifs couvrant la protection côtière, l'optimisation industrielle et l'étalonnage de la télédétection, on peut citer :
• Protection côtière (EDF) : études de submersion des digues côtières sous l'effet combiné du vent et des clapotis.
• Optimisation industrielle (GTT) : essais et dimensionnement de prototypes de godets de pompes pour réservoirs de méthane liquide.
• Télédétection (CNES) : mesures de la rugosité des vagues à l'aide d'un radar Doppler en bande K à incidence élevée.
• Physique des transferts de masse (Université de Heidelberg) : caractérisation par thermographie des couches limites turbulentes dans l'eau.
• Les partenariats industriels et de défense incluent EDF, GTT, MBDA et les clusters éoliens offshore européens.
Liste des partenaires :
10. Positionnement de l'écosystème
HAIAM se positionne comme un pont entre la physique de la couche limite atmosphérique et l'ingénierie hydrodynamique. Il complète les grands bassins (BGO La Seyne-sur-Mer, ECN, Ifrmer) et les centres nationaux en proposant un couplage vent-vagues contrôlé et une métrologie de haute précision, tout en restant interopérable avec les installations de référence internationales (MARIN, par exemple).
Régional
10. Le pôle de Marseille intègre LASIF, MASIF, le Canal à Houle et l'hexapode 6-DoF pour la recherche sur le couplage vent-vagues.
11. Parmi les acteurs régionaux complémentaires figurent de grands bassins de validation industriels et des partenaires océanographiques qui fournissent des formations, des données de terrain et des essais à petite échelle.
National
12. Il complète les centres d'hydrodynamique de défense et navale, les instituts d'ingénierie océanique et les laboratoires d'hydrodynamique des énergies renouvelables en fournissant un couplage contrôlé et une métrologie.
13. Il comble le chaînon manquant entre la physique atmosphérique et l'ingénierie hydrodynamique pour la validation des modèles et la prise de décision en ingénierie. International
14. Située aux côtés de grands simulateurs et d'installations à l'échelle des ouragans, elle met l'accent sur le couplage vent-vagues en régime de faible turbulence et sur les diagnostics avancés.
15. Elle contribue aux processus d'étalonnage et de validation des satellites en fournissant des données de référence en laboratoire pour les observables de télédétection.
11. Collaboration et accès
HAIAM invite les partenaires académiques et industriels à proposer des expériences ou des campagnes de validation. Les modalités de collaboration comprennent la recherche collaborative, les prestations de services avec livrables définis et la co-conception d'instruments. La plateforme est optimisée pour les mesures moyennées en phase, une répétabilité élevée et des résultats directement exploitables pour la modélisation.
Platform Manager - Overall/Luminy
Christopher Luneau
CNRS Research Engineer
OSU Pytheas (UAR 3470)
christopher.luneau@osupytheas.fr
Platform Manager - Technopôle de Château Gombert
Debdoot Ghosh
Research Engineer
IRPHE (UMR 7342 – Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre)
debdoot.ghosh@univ-amu.fr
Scientific Committee :
Julien Touboul
Professor
Centrale Méditerranée & IRPHE (UMR 7342 – Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre)
julien.touboul@centrale-med.fr
Diogo Barros
Associate Professor
Centrale Méditerranée & IRPHE (UMR 7342 – Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre)
diogo.barros@centrale-med.fr
Baptiste Néel
Associate Professor
Aix-Marseille Université & MIO (UMR 7294)
baptiste.neel@univ-amu.fr
References :
Journal Articles
[1] B. Molin, F. Remy, G. Arnaud, and V. Rey, “On the dispersion equation for linear waves traveling through or over dense arrays of vertical cylinders,” Ocean Engineering, Univ. Toulon / IRPHE / MIO, Marseille, France.
[2] D. Eeltink, A. Lemoine, H. Branger, O. Kimmoun, C. Kharif, J. Carter, A. Chabchoub, M. Brunetti, and J. Kasparian, “Spectral up- and downshifting of Akhmediev breathers under wind forcing,” AIP Advances, vol. 12, 2022.
Doctoral Theses
[3] A. Villefer, “Study of wave overtopping processes of coastal protections in complex sea states,” Ph.D. dissertation, Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant, École des Ponts ParisTech & EDF R&D, 2022.
[4] P. Pergler, “Optimization of the control law of a vertical-axis turbine: Experimental and numerical validation,” Ph.D. dissertation, Centrale Méditerranée, IRPHE, Marseille, France.
Industrial / Research Report
[5] A. Lacourt, “Wave overtopping under wind forcing,” Internship report, EDF, France.
