Des écoulements instationnaires au niveau du distributeur des turbines à réaction ont été expérimentalement étudiés dans ce projet doctoral. Le but est de développer une expertise intégrée pour mesurer des écoulements instationnaires au niveau des distributeurs des turbines à réaction en utilisant une vélocimétrie par image de particules (PIV) et d'autres techniques de mesure. Les expériences ont été effectuées en deux phases appelées configuration 1 et configuration 2. La configuration 1 est composée d'une directrice, installée dans un canal bidimensionnel d'eau, examinée aux nombres de Reynolds comparable à ceux dans les modèles standards de turbines Francis. La configuration 2 consiste en un distributeur d'un modèle réduit d'une turbine Francis. Dans la configuration 1, les champs d'écoulement ont été mesurés avec un PIV autour d'une directrice asymétrique dans un canal d'eau, à différents angles d'attaque entre 0° et 20°. Les données obtenues comprennent les champs de vitesse instantanée et moyenne. Pour les mêmes conditions, les pertes de charge dues à la directrice ont été mesurées et comparées. Dans la configuration 2, les champs d'écoulement entre deux directrices voisines ont été mesurés avec le PIV au travers d'un accès optique spécifique. Des résultats instantanés tels que les champs de vitesse et les résultats moyens tels que la fluctuation de vitesse et les iso-contours de vitesse ont été présentés. La distribution de pression du côté intrados et du côté extrados de deux directrices voisines a été mesurée avec des capteurs de pression miniatures montés sur les surfaces des directrices. 'Basé sur les mesures, les effets des points d'opération sur le comportement des écoulements sont analysés.

Cette thèse porte sur l'écoulement à l'intérieur d'une turbine de type Hélice. Deux méthodes de mesures ont été utilisées afin de remplir les objectifs de l'étude. La précision des instruments et l'incertitude des mesures effectuées à l'aide d'outils de vélocimétrie laser tels que la vélocimétrie Doppler laser (LDV) et la vélocimétrie par images de particules (PIV) ont été analysées. Trois phénomènes principaux sont étudiés à l'aide du LDV et du PIV. Le premier porte sur le débalancement circonférentiel de l'écoulement dans toute la machine. Le second porte sur les interactions rotor-stator se produisant entre les directrices et les aubes de la roue. Le troisième englobe les écoulements à l'entrée de l'aspirateur, le vortex à charge partielle (torche) et à forte charge ainsi que le sillage des directrices. Une attention particulière est portée sur les fréquences caractéristiques trouvées à l'aide des mesures LDV à cet endroit. Parallèlement aux mesures expérimentales, des simulations numériques ont été effectuées et comparées avec les données expérimentales disponibles. Cette comparaison permet d'améliorer les simulations numériques en posant différentes conditions limites et modèles de turbulence. Une meilleure utilisation et une amélioration des modèles RANS, URANS et LES avec l'utilisation de la base de données expérimentales est discutée dans l'étude. En conclusion à la recherche, le débalancement circonférentiel de l'écoulement est identifié avec les méthodes expérimentales et numériques. Le débalancement est de l'ordre de 10% de la vitesse de référence crête à crête aux avants directrices et est amorti à 5% à l'interface. Le débalancement maximal est de 12% à l'intérieur du cône divergent de l'aspirateur. L'intensité turbulente dans les canaux d'admission a été estimée à 8%. Les résultats expérimentaux ont démontré que les interactions rotor-stator sont faibles à l'intérieur de ce type de machine car il y a une dissipation rapide du sillage des directrices avant la roue. La torche à charge partielle et les recirculations se produisant dans l'aspirateur sont présentées avec leurs effets sur l'efficacité hydraulique et la configuration de l'écoulement. Plusieurs structures et vortex sont identifiés tels que le vortex se produisant dans l'espace en porte-à-faux des directrices, le vortex de bout d'aubes, la torche et les vortex contrarotatifs des canaux d'admission. Une base de donnée a été crée pour des recherches futures portant sur l'écoulement d'une turbine Hélice.

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence. / This thesis presents an experimental investigation of flow separation inside the diffuser of a small scale model of a bulb turbine. The flow separation occurs when the turbine is operated at high discharge and it reduces the diffuser effective area. In the case of bulb turbines, the kinetic energy recovered by the diffuser represents an important part of the total net head available for the runner energy extraction. The decrease of the diffuser efficiency leads to a sudden drop in the turbine efficiency and in the power extraction. The small scale model is faithful to modern turbines with a particularly divergent diffuser. The turbine performances are measured in a large range of operating conditions in order to select the most interesting ones and to investigate the parametric range of the phenomena. The pressure is measured along the diffuser by flush mounted dynamic sensors while the velocity fields inside the separation zone are obtained by a two-component PIV method. Separation observations on the wall are done using tufts. For a sufficient flow rate, the adverse pressure gradient induced by the diffuser geometry sufficiently weakens the boundary layer, thus leading to fluid ejection from the wall along a large three-dimensional envelope. The three-dimensional unsteady flow separation zone is located in the same area independently of the operating points. The flow rate increase leads to a wider separation zone occurring more frequently. The separation front fluctuates significantly both in location and in shape with no periodicity. Topological and vortex analyses on instantaneous velocity fields show a complex separation front topology which differs greatly from one realisation to another. Despite the highly turbulent flow, the separation front vortices are definitely bigger and more intense than turbulent vortices. It suggests that the roll-up mechanisms leading to separation surface vortices appear to be distinct from those of turbulent vortices.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'objectif du présent mémoire est de contribuer à la caractérisation de l'écoulement dans l'aspirateur d'une turbine hydraulique de type hélice. Pour y arriver, un anémomètre laser à effet Doppler (LDV) est utilisé dans plusieurs sections de l'aspirateur d'un modèle de cette turbine, maintenu sous plusieurs conditions d'opération, pour créer une base de données de vitesse. La composante radiale en sortie de roue est particulièrement recherchée puisque son acquisition constitue un défi technique au niveau expérimental et que son importance dans l'évolution de l'écoulement est établie. Les résultats principaux font ressortir que la vitesse radiale arbore une grandeur non négligeable en sortie de roue et varie de façon importante suivant les conditions d'opération. L'asymétrie circonférentielle des trois composantes de vitesse est également confirmée dans cette section. L'évolution de l'écoulement dans le coude de l'aspirateur engendre un débalancement du débit sortant à travers les deux pertuis. Finalement, l'écoulement dans l'aspirateur de ce type de turbine est fortement instationnaire, ce qui rend essentielle l'étude des fluctuations qui s'y développent.

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l'aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d'opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l'efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l'entrée de l’aspirateur ont été explorés à l'aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d'énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l'écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales. / Draft tubes play a crucial role in elevating the available energy extraction of hydroturbines. In this project, turbulent flows in the draft tube of a low-head bulb turbine were simulated using, among others, an advance hybrid LES/RANS turbulent model, called DDES, which can resolve portions of the turbulent spectrum. Providing appropriate inflow boundary conditions for such models is a challenging issue. In this regard, different inflow boundary conditions were tested, including axisymmetric 1D profiles, and unsteady 2D inflow profiles that take runner blade wakes and vortices into account. Artificial fluctuation at the inlet section of the draft tube was also included to mimic the turbulence existing after the runner. Simulations were conducted for two draft tube configurations of the BulbT project. For one of them, intensive comparisons with experimental data were done for two operating conditions, one at part load and another in the sharp drop-off portion of the efficiency hill after the best efficiency point. This allowed to assess the effectiveness and shortcomings of the adopted turbulence modeling and boundary conditions through their effects on the global and local quantities. The results showed that the runner-related vortical structures and wakes are appropriately resolved using stand-alone DDES simulation of the draft tube flows. This is achieved by applying unsteady 2D inflow profiles along with adopting low dissipation scheme for the convective term. Furthermore, the effects of applying artificial turbulence at inlet were explored using separation intermittency, two-point correlation, energy spectrum and Lagrangian coherent structure concepts. These analyses revealed that the type of inflow boundary conditions modifies the details of the flow and separation dynamics as well as patterns of the transport barriers in different regions of the draft tube. However, the global quantities such as recovery coefficient are not influenced by these local features.

La problématique de surverse du noyau de barrages en remblai lors de crues causées par une défaillance des systèmes de contrôle du niveau du réservoir préoccupent les gestionnaires de ces ouvrages. Une surverse de ce type peut entraîner des vitesses d’écoulement beaucoup plus importantes que celles de conception et causer un écoulement important dans des zones où aucun écoulement n’est initialement prévu. Pour évaluer l’impact des propriétés hydrauliques des composantes du barrage, de la géométrie du barrage et des caractéristiques de la crue, un modèle numérique 2D d’éléments finis a été conçu en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics 5.3. Le modèle numérique a permis de réaliser une série d’analyses de sensibilité sur un barrage modélisé typique qui a montré l’importance de la perméabilité de la crête et du noyau ainsi que de la hauteur maximale atteinte par la crue sur la vitesse à laquelle arrive la surverse et sur les vitesses d’érosion atteintes. L’érosion de contact selon le critère de Brauns (1985) ne semblait pas problématique lors des analyses de sensibilité alors que l’érosion interne selon le critère de Konrad & Côté (2013) paraissait très probable. Ensuite, une étude de cas a été réalisée portant sur un barrage existant d’Hydro-Québec. En raison des perméabilités très élevées de la crête pour ce barrage, les vitesses en crête dans le cas de hautes crues peuvent causer un écoulement turbulent à l’aval du noyau, sans toutefois être problématique pour cet ouvrage au niveau de l’érosion de contact. Finalement, la convergence numérique a été grandement meilleure lors de l’utilisation de courbes de rétention basée sur le modèle de van Genuchten (1980) comparativement à celles basées sur le modèle de Brooks & Corey (1964). / The issue of core overtopping in embankment dams during floods caused by failures of water-level control systems is a concern to dam managers. Core overtopping can generate flow velocities far greater than those considered during design and can result in intense flow in zones where no flow was intended. A 2D finite-element numeric model running on the COMSOL Multiphysics 5.3 software platform was generated to evaluate the impact of soil permeability, dam geometry and flood shape on seepage and internal flow systems. This numerical model was used to conduct a series of sensitivity analyses on a conceptual standard dam. These analyses have shown the importance of crest and core permeability and maximum height reached by the flood on the rate at wich core overtopping occurs and on erosion velocities generated. Contact erosion based on the Brauns (1985) criteria did not seem to be a concern for these sensitivity analyses as opposed to internal erosion based on the Konrad & Côté (2013) criteria which seemed highly probable. Subsequently, a case-study on an existing Hydro- Québec earthfill dam was also carried out. Because of the high permeability of the crest components of this structure, significant velocities and turbulent flow could be obtained in the crest material in cases of high floods, without however being problematic in terms of contact erosion. Furthermore, numerical convergence of the model has been greatly improved by using the van Genuchten-based (1980) water retention curves instead of the Brooks & Corey-based (1964) curves.

L'étude de l'écoulement à l'aval d'une ride a un intérêt primordial dans la dynamique et l'évolution des rivières, des milieux côtiers ou des estuaires. Une des questions au coeur de ces écoulements est liée aux mécanismes d'interaction entre les particules et l'écoulement. Cette interaction donne souvent lieu à la formation de structures ondulées (rides ou dunes). Ce couplage est engendré au niveau de l'écoulement moyen, de la forme de la dune mais aussi au niveau de la macro turbulence et des structures tourbillonnaires instationnaires générées par la présence même des formes sédimentaires. L'identification des différents mécanismes et processus hydrodynamiques générés par la présence de dunes ou rides est exposée en détail par l'examen de l'écoulement laminaire à l'aval d'une ride fixe et isolée. Des techniques de mesure optiques 2D (PIV, visualisations) et 3D (Stéréo-PIV, tomographie laser) couplées à une étude numérique avec un code industriel, permettent de mettre en évidence l'instationarité, la tridimensionnalité de l'écoulement ainsi que la dynamique tourbillonnaire de la zone de recirculation à l'aval de la ride. L'impact de l'écoulement turbulent sur la naissance de dunes isolées est analysé au moyen d'une étude détaillée sur le transport de particules à partir d'essais menés en canal hydro-sédimentaire. Le rôle particulier de la zone de recirculation à l'aval de la dune est mis en évidence à l'aide d'un suivi spatio-temporel du transport des particules entre sa crête et sa face d'avalanche. Finalement, l'analyse et l'influence des conditions hydrauliques sur le seuil critique de mise en mouvement d'un lit de particules ainsi que la formation et la migration d / The aim of this study is to examine the processes leading to development a bed river, estuary or coastal environments morphology. The ability to investigate the complex nature of the interaction between fluids and sediments mechanisms and its role in bed transport and river stability is important to understand river evolution. Dunes or ripples are in frequent interaction with the bed. Hence, the topology of dune is related to the macroturbulence of the flow, mean flow field and the instantaneous structures of the vortices generated by these forms. Details of different mechanisms and hydrodynamic process generated behind a fixed single ripple are exposed by examining a laminar flow over the dune itself. Measurements with two-component Particle Image Velocimetry, three-component Stereo-PIV and flow visualization coupled with a numerical studies are performed to acquire and to obtain a detailed knowledge of the flow over the dune concerning the three-dimensionality, the instantaneous behavior of the flow and the large dynamic of vortex in the recirculation zone along the ripple. A set experiment generating turbulent flow is conducted in a hydro-sedimentary channel to detail the quantitative measurement of bedload transport processes in order to determine the effects of the turbulent flow on dune creation. A spatio-temporal monitoring of particles transport from crest to dune slip face is conducted to point the particular role of the recirculation region. Finally, the analyze and the effect of hydraulics conditions on the critical shear stresses for incipient particle motion as well as the formation and the migration of the mobile dune are emphasized by a geomorphological st

Ce travail de recherche présente une étude expérimentale de l’influence d’un écoulement tourbillonnaire sur un lit sédimentaire. Les expériences se déroulent dans un canal hydro-sédimentaire à surface libre, à l’Institut P’. Deux dispositifs permettant de générer des tourbillons isolés, d’axe vertical ou horizontal, ont été conçus lors de cette thèse. Ce travail se concentre sur le premier de ces montages : une étude paramétrique par mesures optiques (PIV, PIV stéréoscopique) est menée, notamment avec deux conditions de rugosité de paroi. Des lois de comportements sont ainsi établies. La caractérisation des écoulements tourbillonnaires révèle une forte tridimensionnalité, de même que la présence de structures turbulentes particulières, liées aux phénomènes de transport sédimentaire. Un second axe d’étude s’attache à la description de la mise en suspension de sédiments par un tourbillon d’axe vertical. Les structures turbulentes liées au transport sont étudiées, ainsi que le comportement du panache de sédiments. La reconstruction du lit sédimentaire sur un temps long, par l’utilisation d’une méthode de stéréo-corrélation, met en avant les régions d’affouillement et d’accrétion induites par le passage d’un seul tourbillon isolé. Enfin, une étude numérique basée sur OpenFOAM est proposée. La méthodologie exposée reproduit bien les comportements du fluide et des sédiments : la validation de cet outil permettrait d’aborder de nouveaux paramètres d’étude par la connaissance précise des quantités de sédiments mobilisés. / This research work presents an experimental study on the influence of a vortex flow over a sediment bed. The experiments are conducted in a free-surface water channel in the Pprime Institute. Two specific apparatuses, generating isolated vortices of vertical or horizontal axis, were designed during this project. This study focuses on the vertical device. A parametric study is performed with optical measurements (PIV, stereoscopic PIV), in particular with two conditions for the wall roughness. Some behaviour laws are thus established. The characterization of those swirling flows depicts a strong three-dimensional effect, as well as the presence of specific turbulent structures related to sediment transport phenomenon. The secondary section of this work focuses on the sediment suspension caused by a vertical vortex. Turbulent structures related to transport are studied, like the sediment plume behaviour. Reconstruction of the bed over a long period of time, using a stereo-correlation method, highlights scour and accretion regions, induced by the isolated vortex. Finally, a numerical study based on OpenFOAM is proposed. The suggested methodology reproduces the observed fluid and sediment behaviours. Validation of this numerical tool could bring some new study parameters, providing an in-depth comprehension on the quantity of mobilized sediments.

Dans cette étude on présente les résultats de simulations numériques réalisées sur un écoulement de marche descendante. L'influence de la condition aux limites amont est examinée alors que les calculs sont menés au moyen de la méthode de Simulation des Grandes Echelles.<br />La première condition d'entrée considérée est constituée d'un profil de vitesse moyen turbulent perturbé par un bruit blanc. Les données de la seconde condition d'entrée sont quant à elles issues d'un calcul précurseur de couche limite turbulente.<br />Les visualisations de l'écoulement et l'examen des statistiques portant sur les vitesses et la pression montrent comment la couche cisaillée après la séparation est modifiée par la nature de la condition d'entrée.<br />Dans le cas de la simulation utilisant un calcul précurseur en entrée, l'étude révèle l'influence déterminante des structures de la couche limite incidente. Notamment, on montre de quelle manière les courants de basses et hautes vitesses ainsi que les tourbillons quasi-longitudinaux associés sont responsables de la déstabilisation précoce de la couche cisaillée, conduisant alors à la réduction de la taille de la bulle de recirculation.<br />Pourtant, malgré les différences de conditions initiales, les écoulements des deux simulations développent une structure relativement similaire à l'approche du rattachement, si bien que l'influence de la condition d'entrée est négligeable, dans cette zone et plus loin dans l'écoulement. Le contenu spectral des deux écoulements est aussi examiné, permettant ainsi de mettre en évidence les deux régimes d'oscillations basses fréquences caractéristiques de ce type de configuration : l'oscillation du rattachement moyen et le battement de la couche cisaillée. La modification de la nature du couplage entre la couche cisaillée et la recirculation principale est rendue responsable du décalage observé pour la fréquence de battement.

Un colmatage des réacteurs à lit fixe arrosé, i.e., Trickle Bed Reactor (TBR), peut se produire lorsque des suspensions liquide-solide diluées y sont traitées ou lorsque des processus chimiques induisent la formation de solides, par exemple du coke, à l'instar de certaines opérations de raffinage du pétrole. Suite à l'accumulation excessive de ces fines solides, le gradient de pression peut atteindre un niveau limite mettant en jeu la tolérance physique du catalyseur. Ainsi, indépendamment de l'activité chimique résiduelle de catalyseur, l'arrêt du réacteur peut s'imposer pour un remplacement du lit catalytique par un lot de catalyseurs frais avec les conséquences économiques associées. Les activités de recherche dans la littérature ouverte concernant ce domaine ont été limitées à quelques travaux expérimentaux et de modélisation. La nécessité d'une recherche plus approfondies et plus systématique s'est donc imposée à nous afin de déchiffrer les mécanismes sous-jacents de la filtration en mode biphasique et de proposer éventuellement de nouvelles solutions d'opération de ce type de réacteurs. L'objectif de la recherche proposée était de fournir une meilleure compréhension des mécanismes et de la structure des dépôts dans les réacteurs à lit fixe arrosé traitant des suspensions d'hydrocarbures afin de proposer de nouvelles stratégies de décolmatage. En raison de la nature opaque du lit, les observations pariétales, les mesures de perte de pression et de dépôts spécifiques, ont été couplés à des mesures non-invasives basées sur l'imagerie par la tomographic électrique capacitive afin de dévoiler la structure interne du lit lors de la déposition de fines particules. Pour surmonter les forces qui concourent à la déposition sur les collecteurs, de nouvelles stratégies, incluant des configurations différentes de réacteur ou des modes d'alimentation cyclique ont été abordées dans notre étude. Les réacteurs de type monolithe, consistant en des blocs à multiples canaux droits, ont été étudiés avec l'objectif de minimisation du dépôt spécifique et de la perte de pression biphasique. La filtration biphasique de suspensions a été étudiée aussi bien en régime d'écoulement de Taylor (petits canaux) qu'en régime de film (grands canaux). Les forces inter-particulaires fine-fine et fine-collecteur sont déterminantes pour que la déposition de fines puisse avoir lieu. Par conséquent, différentes opérations cycliques ont été examinées pour étudier l'effet positif des pulsations hydrodynamiques liquides pour surmonter les forces d'adhésion entre dépôts et lit. La mise en oeuvre de forces répulsives fortes via la modulation de la conductivité électrique dans des milieux non-aqueux a également été étudiée pour montrer l'efficacité de cette approche pour la prévention de colmatage.