Thèse doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1999. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 365.

Th. 3e cycle--Méc. des fluides--Lille 1, 1977. N°: 646.

Th. 3e cycle--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 150.

Cette thèse vise l’étude des écoulement de déplacement de fluides miscibles à l’intérieur d’un long tuyau stationnaire vertical et d’un tuyau en mouvement. Concernant la géométrie des mouvements, le tuyau oscille comme un pendule inversé avec une fréquence maximale faible, c’est-à-dire, ˆf= 0.2(Hz) et une oscillation maximale de faible amplitude, soit 15 (◦) par rapport à l’axe du tuyau. Les écoulement de déplacement se produisent à un nombre de Péclet élevé et aux petits nombres d’Atwood. L’accent est mis sur les types de fluides et de géométries (tuyau fixe ou en mouvement). Les approches expérimentales détaillées sont utilisées de manière intégrée. Dans cette thèse, la configuration de densité est la densité instable. La majeure partie des travaux en cours se concentre sur les écoulements de déplacement de fluides Newtoniens isovisqueux, mais nous étudions également l’écoulement de déplacement à contrainte au seuil de plasticité dans un long tuyau vertical. Pour un écoulement de déplacement Newtonien isovisqueux dans un tuyau stationnaire, nous remarquons un effet stabilisant imposé au débit principal et signalant l’existence de deux régimes d’écoulement principaux à long moment introduits par un écoulement de déplacement stable et un écoulement de déplacement instable. La transition entre ces deux régimes se produit à un nombre critique de Reynolds modifié (Ret / This thesis aims to investigate buoyant displacement flows of miscible fluids in a long, vertical stationary pipe or a moving pipe. For the case of the moving geometry, the pipe oscillates like an inverted pendulum with a small maximum frequency, i.e.ˆf= 0.2(Hz) and a small maximum oscillation amplitude, i.e. 15 (◦) with respect to the pipe axis. The displacement flows occur at the high Péclet number and small Atwood numbers. The focus is on the type of fluids and geometries (stationary or moving pipe). Detailed experimental approaches are employed in an integrated fashion. The density configuration in this thesis is the density unstable. The main part of the current work is concentrated on displacement flows of iso-viscous Newtonian fluids. We also study the yield stress displacement flow in a long vertical pipe. For iso-viscous Newtonian displacement flow in a stationary pipe, we uncover the stabilizing effect of the mean imposed flow and report the existence of two main flow regimes at long times introduced as a stable displacement flow and an unstable displacement flow. The transition between these two regimes occurs at a critical modified Reynolds number (Ret

Ce projet de maîtrise vise à faire une caractérisation préliminaire de l'écoulement d'une turbine Francis de moyenne chute au régime sans charge dans le cadre du projet Tr-Francis au Laboratoire de machines hydrauliques. Concrètement, le projet a validé la méthodologie numérique utilisée à l'aide de mesures expérimentales préliminaires. De plus, les simulations numérique sont permis de fournir les chargements fluides afin que des simulations structurelles puissent être réalisées. Finalement, les résultats ont permis de cibler les structures dominantes dans l'écoulement qui causent les plus importantes fluctuations de pression et ainsi aider l'équipe expérimentale à positionner les capteurs de pression et à choisir leurs plans de mesures. Pour y arriver, la méthodologie est basée sur des interpolations de mesures effectuées par Hydro-Québec au régime sans charge sur le prototype. Les données sont prises telles quelles pour les simulations effectuées à l'échelle prototype et elles sont mise à l'échelle grâce aux lois de similitude de la norme IEC 60193 pour les simulations à l'échelle modèle. L'effet des conditions d'entrée dans le domaine est étudié sur des domaines partiels avec des maillages de différentes densités ainsi que sur le domaine complet. Les pressions obtenues numériquement dans l'aspirateur sont comparées aux mesures expérimentales préliminaires et les résultats sont concordants. De plus, les poches de cavitations observées numériquement au bord de fuite remontant sur le côté pression des aubes sont, de plus, confirmées par l'expérimentation. Des analyses fréquentielles à partir des signaux de pression sont utilisées dans ce projet afin de caractériser les phénomènes. En plus d'utiliser différentes méthodes de visualisation numériques afin d'isoler et d'analyser les structures principales dans l'écoulement. Imposer un profil de vitesse uniforme comparativement à un profil de vitesse tiré de simulations de la bâche et de la conduite d'amenée ne modifie pas les résultats significativement à l'échelle modèle avec le maillage le plus fin. Lors des simulations avec le domaine complet, plusieurs phénomènes d'importances ont été observés. Notamment des tourbillons inter-aubes, qui ont une modulation à f/n = 1, une importante zone de recirculation dans l'aspirateur qui remonte jusque dans la roue, des tourbillons à l'interface entre la roue et l'aspirateur qui se développent dans la couche cisaillée, un débalancement de l'aspirateur causé par le coude ainsi qu'une zone cavitante au bord de fuite. / This thesis presents the preliminary characterization of the flow in a medium head Francis turbine at speed no-load within the scope of the Tr-Francis project at the Hydraulic Machinery. Laboratory. Concretely, the project aims at validating the numerical methodology used with preliminary experimental measurements. Moreover, the numerical simulations will provide the fluid load for the FEA simulations. Ultimately, the results will allow identifying the dominant structures in the flow causing important fluctuations. Thus helping the experimental team to find the optimal location for the pressure sensors and the measuring planes. To do so, the numerical methodology is based on the measurements interpolation performed by Hydro-Québec on the prototype turbine at speed no-load. The data are applied, as they are, as the initial conditions for the prototype scale simulations. For the model scale simulations, they are scaled down using the similitude laws from the IEC 60193 standard. The effects of the inlet conditions are studied on partial domains with different mesh densities as well as on the complete domain. To validate the simulations, the pressure measurements obtained numerically in the draft tube are compared with the preliminary measurements and the results are in good agreement. Furthermore, the trailing edge cavitation observed numerically is also visible in experimental flow visualizations. Spectral analyses of pressure signals are used to help to characterize the phenomena. Different numerical visualization techniques are also used to isolate and analyse the main flow structures. Imposing a uniform velocity profile compared to the one obtained from the penstock and spiral case simulation does not significantly affect the results at model scale with the finest grid. Many important phenomena such as modulated inter-blades vortices, an important backflow region in the draft tube coming up to the runner, vortices generated in the draft tube in the shear layer, static pressure imbalance in the draft tube caused by the elbow and trailing blade cavitation were observed on the complete domain model scale simulations.

Dans un contexte où la demande en électricité varie fréquemment et que l'utilisation de production d'électricité intermittente telle que l'éolien et le solaire est privilégiée, il est nécessaire d'avoir un moyen de production pour stabiliser le réseau. L'hydroélectricité est une option attirante puisqu'elle est renouvelable et a un temps de réponse au changement très rapide. Cette stabilisation entraîne cependant une augmentation drastique d'arrêts et départs des turbines hydrauliques, ce qui a un effet néfaste sur la durée de vie. En effet, d'importantes contraintes ont été observées lors du démarrage de certaines turbines, sans pour autant que soit comprise l'origine de cet effet. Afin d'améliorer notre compréhension sur la dynamique de la turbine en démarrage, des mesures expérimentales sur modèle réduit en laboratoire sont essentielles. Cette thèse présente l'évolution du comportement dynamique de l'écoulement lors de différentes séquences de démarrage sur le modèle réduit d'une turbine bulbe. Les bancs d'essai en circuit fermé comme celui installé au laboratoire de machines hydrauliques (LAMH) ne permettent pas en général de conserver constante la chute d'essai pour des phénomènes transitoires comme un démarrage. Cette recherche propose donc une méthode ingénieuse pour surmonter ce problème. Afin d'obtenir des conditions similaires aux turbines prototypes, les caractéristiques d'ouverture des directrices (angle finale, vitesse d'ouverture) ont du être adaptées. Basées sur une analyse dimensionnelle, elles sont déterminées pour évaluer l'effet de la vitesse d'ouverture des directrices sous une chute constante. L'ouverture finale des directrices est déterminée pour atteindre une vitesse unitaire choisie pour le modèle. Les trois vitesses d'ouverture sélectionnées représentent, toutes proportions gardées, ce qui peut être observé sur des prototypes. Cette étude propose également une technique innovante pour obtenir l'évolution du débit au cours du démarrage à l'aide d'un système de vélocimétrie par image de particules résolu dans le temps. L'évolution des quantités globales de la turbine, telles que le couple et le débit, est différente pour les basses et la haute vitesses d'ouverture. Un certain degré d'universalité est observé sur les nombres sans dimension pour les deux faibles vitesses d'ouverture. Pour la haute vitesse, l'écoulement semble avoir de la difficulté à suivre l'évolution du schéma d'ouverture des directrices. D'autre part, l'analyse du champ de pression sur les pales lors de la phase d'accélération de la roue montre que la roue opère comme une turbine à impulsion jusqu'à ce que le couple atteigne sa valeur maximale. Même si la machine réagit davantage comme une turbine à réaction par la suite, des phénomènes locaux apparaissent et entraînent la formation de structures importantes dans la roue, comme par exemple un écoulement de retour. Lorsque la turbine atteint le régime sans charge, à la fin de l'ouverture, la roue tourne à la vitesse unitaire choisie. Dans ces conditions, deux phénomènes sous-synchrones et des tourbillons inter-aubes sont présents. Ces phénomènes sous-synchrones sont constitués de une ou deux structures tournant autour de l'axe de la roue, en alternance apparemment aléatoire. Ce caractère bistable influence le champ de pression sur les pales dont l'évolution dépend des structures présentes. De plus, l'intensité des tourbillons inter-aubes qui apparaissent lorsque le couple atteint sa valeur maximale est également influencée par ces phénomènes. / In a context where the electricity consumption varies frequently and the use of intermittent power generation such as wind and solar is trendy, it is necessary to have a means of generation to stabilize the grid. Hydropower is an attractive option because it is renewable and has a very fast response time to load variation. However, the use of hydraulic turbines to stabilize the grid leads to a drastic increase in their stops and startups, which has a critical effect on the lifetime of the runner. Indeed, significant stresses have been observed during the start-up of some turbines, without understanding where this effect comes from. In order to improve our understanding of the dynamics of the turbine during start-up, experimental measurements on scale models in a laboratory are essential. This thesis presents the evolution of the dynamic behaviour of the flow during different startup sequences on a model scale bulb turbine. Closed-loop test benches such as the one at Laval University's LAMH are interesting because they allow experimental analyses to be undertaken on a wide range of turbines while being compact. However, they do not generally allow to keep the pressure head constant for transient phenomena such as start-up. This study proposes a first attempt to study the transient regime of start-up on this type of test bench. In order to obtain conditions similar to prototype turbines, the opening characteristics of the guide vanes (final angle, opening speed) had to be adapted. Based on a dimensional analysis, the characteristics of the experiment are determined in order to evaluate the effect of the opening speed of the guide vanes under a constant pressure head. The final opening of the guide vanes is determined in order to reach a unit speed chosen for the model. The three selected opening speeds represent, in all proportions, what can be observed on prototypes. This study also proposes an innovative technique to obtain the evolution of the flow rate during start-up using a time-resolved particle image velocimetry system. The turbine shows a different behavior between the two lowest opening speeds and the high opening speeds. The global turbine quantities such as torque and flow rate have different evolutions. A certain degree of universality is observed on the dimensionless numbers for the two lowest opening speeds. For the high speed, the flow seems to have difficulty to follow the evolution of the opening sequence of the guide vanes. In addition to the study on the global quantities of the turbine, the analysis of the pressure field on the blades during the acceleration phase of the runner presents some interesting characteristics. It shows that the runner operates like an impulse turbine until the torque reaches its maximum value. Even if the machine works more like a reaction turbine afterwards, local phenomena occur which lead to the formation of important structures in the runner, such as a return flow. When the turbine reaches speed no-load regime, at the end of the opening, the runner rotates at the selected unit speed. Under these conditions, two sub-synchronous phenomena and inter-blade vortices are present. These sub-synchronous phenomena are made up of one or two structures rotating around the axis of the runner, in apparently random alternation. This bistable character influences the pressure field on the blades whose evolution depends on the structures present. In addition, the intensity of the inter-blade vortices that appear when the torque reaches its maximum value is also influenced by these phenomena.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.