Producteur d'électricité, la CNR gère 19 barrages et 19 centrales hydroélectriques répartis le long du Rhône de la frontière Suisse à la Méditerranée. La majorité des aménagements de ce fleuve sont équipés de la commande prédictive. Cette méthode de régulation a nettement amélioré la gestion de ces aménagements. Cependant, il existe des situations qui perturbent le calcul de cette commande. L'objectif de ce travail de recherche est donc de mettre au point une méthodologie et des algorithmes pour détecter les sources d'erreurs, les corriger et recaler le modèle hydraulique sur lequel s'appuie le calcul de la commande, au fur et à mesure de l'acquisition des données observées. Pour cela, la méthode d'assimilation de données de type stochastique tel que le filtre de Kalman semble être la plus adaptée. L'hypothèse forte de cette méthode est la nécessité d'employer un modèle linéaire bien que le système étudié soit non-linéaire. De ce fait, analyser l'impact de la linéarisation du modèle et déterminer ses limites d'application, furent indispensable. Pour s'assurer de l'efficacité de cette méthode, une étude de la convergence du filtre a été menée. Puis les notions d'observabilité et de détectabilité ont été abordées afin de déterminer les hypothèses suffisantes à la convergence du filtre. Pour illustrer ces études, des tests sur des expériences jumelles ont été réalisés afin de voir si le filtre de Kalman joue bien son rôle d'estimateur d'état dans diverses situations jugées problématiques pour la régulation. L'originalité de ce travail a aussi été la possibilité de traiter des scénarii réels sur la plateforme de tests de la régulation de la CNR. Cet outil a donc servi à faire un comparatif entre la méthode de mise à jour des observations qui est actuellement utilisée pour la régulation des aménagements du Rhône et celle qui est étudiée dans ce travail de thèse.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [147]-149. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. doct.-ing.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 98.

Principalement, ce travail présente l’application d’observateurs non linéairespour la détection de fuites (uniques, séquentielles et simultanées) dans des canalisationssous pression. Les observateurs présentés ici ont été conçus à partir d’uneversion discrète des équations du coup de bélier, qui a été obtenue en utilisant laméthode des différences finies et en prenant comme alternative la méthode de collocationorthogonale. Les modèles discrets ainsi que certains observateurs ont étévalidés par une série d’expériences effectuées dans des canalisations d’essai. D’autrepart, une nouvelle version d’observateurs à grand gain pour des systèmes non uniformémentobservables a été développée. Elle a été utilisée pour la détection de fuitesainsi que pour la synchronisation de systèmes chaotiques avec des paramètres inconnus.Des résultats de convergence, expérimentaux et en simulation sont exposésdans ce mémoire. / This work mainly deals with the application of nonlinear observers for the detectionof leaks (single, sequential and simultaneous) in pipes under pressure. Theproposed observers were conceived from a spatially discretized version of the waterhammer equations. This version was obtained using the finite difference method ,as an alternative to the orthogonal collocation method also considered. The discretemodels, as well as some observers were validated by a set of experiments realizedin test pipes. This work also gave rise to a new version of high gain observers fornon-uniformly observable systems. Firstly used for the purpose of leak detection,it was successfully applied to the synchronization of chaotic systems with unknownparameters as well. Its presentation includes a formal convergence proof, as well assimulation and experimental results. / Este trabajo trata principalmente la aplicación de observadores no lineales parala detección de fugas (únicas, secuenciales y simultaneas) en tuberías bajo presión.Los observadores que aquí se presentan fueron concebidos a partir de una versióndiscreta (espacialmente) de las ecuaciones del golpe de ariete. Tal versión se logróutilizando el método de diferencias finitas, y como alternativa el método decolocación ortogonal. Los modelos discretos, así como ciertos observadores, fueronvalidados mediante una serie de experimentos realizados en tuberías de ensayo.Este trabajo también dio origen a una nueva versión de observadores de granganancia para sistemas no uniformemente observables, la cual se utilizó para ladetección de fugas, así como para la sincronización de sistemas caóticos con parámetrosdesconocidos. Su presentación incluye resultados de convergencia formales,en simulación, y experimentales.

L'objectif principal de cette thèse est la formulation des mélanges stables contenant l'hydroxyapatite gel synthétisée (Ca-HAGel). Le comportement rhéologique des mélanges Eau/(sulfate de calcium) et hydroxyapatite/(sulfate de calcium) a été étudié. Les résultats ont montré que tout les mélanges sont caractérisés par un comportement rhéologique rhefluidifiant et thixotrope. Le potentiel zeta a été utilisé dans cette étude pour mieux appréhender les interactions entre les particules et leur effet sur le comportement des mélanges. La fixation de sulfate sur la surface de Ca- HA favorise la stabilité de la structure du Ca-HAGel. Les analyses de caractérisation effectuées sur les formulations ont montré la formation de nouveaux composés tels que le sulfate-phosphate de calcium hydrate et l'Ardealite. Les tests de lixiviation et de percolation ont révélé que le taux de relargage de soufre et strontium à partir des sous-produits de gypse était négligeable pour les mélanges contenant Ca-HAGel. Ca- HAGel stabilise les métaux lourds relargués à partir du gypse et plâtre. Les particules du gypse améliorent les performances hydrauliques de Ca-HAGel et le plâtre hydraté stabilise la structure de Ca-HAGel par la formation des particules agglomérées. Le test colonne effectué sur la formulation AWPG2 a montré une grande performance à retenir le plomb et le cadmium avec des capacités de rétention de plus de 99% et 88% respectivement. Le traitement des métaux lourds était lié aux particules de Ca-HA et aux phosphate et calcium libres. La formulation AWPG2 peut être utilisée dans les barrières perméables réactives pour traiter les eaux souterraines contaminées. / The main purpose of this thesis was the formulation of stable blends based on synthesized hydroxyapatite-gel (Ca-HAGel). The rheological behavior of water−calcium sulfates and hydroxyapatite−calcium sulfates blends was considered in this study. The results show that all blends and formulations exhibit a shearthinning effect and thixotropic behavior. The ζ potential was used in this study to understand the interaction between particles and its effect on the global behavior of the blends. Fixation of sulfate on Ca-HA surface promotes the stability of Ca-HAGel suspension. Characterization analysis of formulation shown the presence of new compounds such as calcium sulfate-phosphate hydrate and Ardealite. Leaching and percolation tests revealed that the release rate of sulfur and strontium from gypsum by-product was negligible in blends based on Ca- Agel. Ca-HAGel was stabilized the heavy metals released from plaster and gypsum. Gypsum particles enhanced hydraulic performances of Ca-HAGel and hydrated plaster stabilized Ca-HAGel structure by the formation of agglomerated particles. Column test carried out on AWPG2 blend revealed high removal performances for lead and cadmium with retention capacity of 99% and 88% respectively. The reactivity was related to Ca-HA and free calcium and phosphate contained in the selected formulation. AWPG2 blend is to be used as permeable reactive barrier for in-situ contaminated groundwater remediation

Récemment, les sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire, sont devenues des éléments essentiels des réseaux électriques en tant qu’alternatives d’énergie propre aux combustibles fossiles. Cependant, la qualité de la production de telles ressources énergétiques dépend de différents facteurs incertains, tels que les conditions météorologiques. Par conséquent, la gestion intermittente des sources d’énergie renouvelables est l’un des principaux défis à relever pour une utilisation à plus grande échelle.Une solution possible pour réduire les effets de l'intermittence des ressources énergétiques sur la production d'énergie et la stabilité du réseau consiste à utiliser les technologies de stockage d'énergie. Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) semblent être la méthode de stockage propre unique qui peut être utilisée pour lutter contre la nature intermittente de l’énergie éolienne et solaire. Les STEP utilisent des pompes-turbines réversibles pouvant fonctionner comme des pompes pour stocker l'excès d'énergie électrique dans le réseau et comme des turbines pour générer de l'énergie électrique, lorsque davantage d'énergie électrique est nécessaire. Ainsi, les STEP aident à stabiliser le réseau en présence de ressources en énergies renouvelables intermittentes.Ce travail met l’accent sur les conditions de fonctionnement de la turbine pour le démarrage des STEP. Dans les STEP, la condition de fonctionnement de démarrage est généralement visitée plusieurs fois, à la suite d'un basculement entre les modes de pompage et de turbine. Ainsi, l'amélioration des performances des régulateurs de vitesse utilisés pour le démarrage devient plus importante lorsque l'on traite avec des STEP afin de permettre une récupération rapide de la tension.Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet pluridisciplinaire INNOVHYDRO, qui regroupe différents laboratoires et entreprises tels que, GIPSA-lab où cette thèse a été préparée, G2Elab, GE et EDF.Dans cette thèse, une architecture de contrôleur prenant en compte les limitations informatiques des microcontrôleurs existants utilisés chez GE est proposée. Elle apporte une solution au problème du démarrage rapide de la turbine tout en évitant l'excitation de fortes oscillations de pression. De plus, les contraintes de couple s'intègrent facilement pour permettre un démarrage en douceur, ce qui réduit la fatigue des composants mécaniques, résultant du démarrage répétitif des turbines.Des solutions sont proposées pour ajuster les gains du contrôleur, tout en tenant compte de la dynamique non linéaire de l'actionneur utilisé chez GE. Pour commencer, une méthodologie de réglage est décrite pour garantir la stabilité asymptotique et les performances en boucle fermée, tout en minimisant la limite supérieure de l'erreur de suivi en sortie. De plus, une approche d'optimisation systématique est développée pour sélectionner les gains du contrôleur afin de minimiser le temps nécessaire pour obtenir une connexion stable au réseau, tout en respectant les contraintes de couple maximales. De plus, des algorithmes sont utilisés pour choisir les paramètres du contrôleur de sorte que des certificats de robustesse soient obtenus sur le contrôleur résultant.De plus, un simulateur a été développé pour les centrales hydrauliques et utilisé pour tester le contrôleur proposé. Le simulateur est constitué d’un système d’équations différentielles continues qui modélisent systématiquement le comportement des différents composants de la centrale hydraulique, tels que les conduites forcées, les tunnels, les réservoirs et les cheminées d’équilibre. De plus, le comportement non linéaire et les caractéristiques en S des régions instables des turbines hydrauliques, généralement modélisées par des diagrammes de Hill, sont pris en compte avec succès. De plus, la dynamique non linéaire de l'actionneur est incluse dans le modèle mathématique complet. / Recently, renewable energy resources such as, wind and solar energy, have become integral parts of electric grids as clean energy alternatives to fossil fuels. However, the quality of production of such resources of energy depends on different uncertain factors, for instance, weather conditions. Therefore, dealing with the intermittent nature of renewable energy resources is one of the main challenges when using them on a larger scale.A possible solution to reduce the effects of energy resources intermittency on energy production and grid's stability, is to use energy storage technologies. Pumped storage power plants (PSPs) seem to be the unique clean storage method that can be used to counteract the intermittent nature of wind and solar energy. PSPs make use of pumps-turbines which are capable of working as pumps to store excess electric energy in the grid, and as turbines to generate electric energy, when more electric energy is needed. Thus, PSPs help in stabilizing the grid in the presence of intermittent renewable energy resources.The emphasis in this work is on turbine start-up operating mode for PSPs. In PSPs, the start-up operating mode is usually visited multiple times, as a result of switching back and forth between pumping and turbine modes. Thus, enhancing the performance of the speed governors used for starting-up becomes more important when dealing with PSPs to enable a rapid voltage recovery.This PhD thesis is part of the multidisciplinary INNOVHYDRO project that includes different laboratories and enterprises such as, GIPSA-lab where this thesis was prepared, G2Elab, GE and EDF.In this thesis, a controller architecture that takes into account the computational limitations of existing microcontrollers in use at GE, is proposed. It provides a solution to the problem of fast turbine start-up, while avoiding the excitation of sharp pressure oscillations. In addition, torque constraints are easily integrated to achieve smoother start-up, which reduces the fatigue of the mechanical components, resulting from repetitive start-up of turbines.Different approaches are proposed to tune the controller gains, while taking into account the nonlinear dynamics of the actuator used at GE. To begin with, a tuning methodology is outlined to guarantee the asymptotic stability and the closed-loop performance, while minimizing the guaranteed upper bound on the output tracking error. In addition, a systematic optimization approach is developed to select the controller gains to minimize time needed to get a stable start-up, while respecting maximum torque constraints. Moreover, randomized algorithms are used to choose the controller parameters such that robustness certificates are obtained on the resulting controller.Furthermore, a simulator has been developed for hydraulic power plants and used to test the proposed controller. The simulator constitutes of a system of continuous differential equations, which systematically model the behavior of the different components of the hydraulic power plant such as, penstocks, tunnels, reservoirs and surge tanks. In addition, the nonlinear behavior and unstable regions 'S-characteristics' of hydraulic turbines, usually modeled by Hill charts, are successfully taken into consideration. Moreover, the actuator's nonlinear dynamics are included in the overall mathematical model.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente l'étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d’une roue de turbine de type bulbe. Pour ce faire, deux campagnes de mesures ont été réalisées. La première a fait usage de l’anémométrie laser à effet Doppler (LDV). La seconde campagne a fait appel à l’anémométrie par image de particules (PIV) et à un montage stéréoscopique endoscopique conçu sur mesure pour atteindre la région ciblée. Les données recueillies permettent de caractériser plusieurs phénomènes. L’importance du sillage des directrices entre les aubes de la roue est mise en évidence par les deux techniques de mesure. La campagne de mesure par LDV permet plus spécifiquement de cibler les tourbillons de jeu de bout d’aube et d’identifier des débalancements fixe et rotatif. En complément, les mesures par PIV révèlent la présence d’un tourbillon qui provient du bord d’attaque près du moyeu lorsque la turbine opère à charge partielle. / This work presents the experimental study of the flow in the inter-blade channel of the runner of a bulb turbine. To do so, two measurement campaigns were carried out. The first used laser Doppler velocimetry (LDV). The second campaign used particle image velocimetry (PIV) and a custom designed stereoscopic endoscopic setup allowed reaching this otherwise difficult to access measurement plane. A comparison of the two sets of data collected indicates a good match over the entire area on which they overlap. The gathered data allows characterising many phenomena. The importance of the guide vanes wake on the runner flow is highlighted by both measurement techniques. The LDV measurement campaign allows characterizing the blade tip vortices and identifying fixed and rotary flow imbalances. In addition, the PIV measurements reveal the presence of a vortex that originates from the leading edge near the hub when the turbine operates at partial load.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Le présent mémoire a comme objectif principal de procéder à la simulation d'un aspirateur de turbine existant en utilisant le DES, soit une nouvelle approche de modélisation de la turbulence. Il est postulé que la meilleure représentation de l'écoulement instationnaire qui existe dans cette partie de la machine pourrait faire la lumière sur la discordance entre la courbe de rendement applatie mesurée en centrale et la courbe prédite par les simulations RANS. Afin de procéder à ces simulations avancées, l'approche DES est d'abord testée avec un cas d'écoulement tourbillonnant dans un diffuseur conique pour lequel des données expérimentales sont disponibles. Par la suite, le cas de l'aspirateur réel est traité et plusieurs comparaisons entre les approches RANS, URANS et DES sont dégagées. Les résultats démontrent l'importance d'établir une méthodologie rigoureuse pour appliquer l'approche DES à un écoulement tourbillonnant dans un diffuseur. Principalement, le phénomène néfaste propre au DES de la séparation induite par le maillage (GIS) se manifeste très facilement pour ce type d'écoulement. Il est montré que les modèles qui protègent la couche limite, nommément les modèles DDES SA et DDES SST, sont beaucoup plus polyvalents et mieux adaptés à ces écoulements. Aussi, l'analyse des conditions d'entrée a montré, tant pour le diffuseur que pour l'aspirateur, que le niveau de viscosité tourbillonnaire qui y est prescrit doit être significativement plus faible que celui imposé en RANS. Les résultats finaux montrent une claire supériorité de l'approche DDES sur l'approche URANS pour prédire les instationnarités présentes pour les cas étudiés. Plus particulièrement pour l'aspirateur, le DDES permet de faire une analyse du tourbillon de sortie de roue et de ses caractéristiques associées à la charge. Par rapport à la prédiction de la performance, l'utilisation du DDES ne modifie pas la forme de la courbe de rendement. Il semble que la prédiction de la performance de l'aspirateur soit majoritairement gouvernée par la modélisation RANS en proche paroi et que le plateau dans la courbe de rendement mesurée ne soit pas entièrement attribuable à un phénomène instationnaire prenant place au centre de l'aspirateur.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Le présent mémoire a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes de perte dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour ce faire, l’écoulement dans un aspirateur caractérisé par une diminution abrupte du coefficient de récupération près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Une méthode avancée de modélisation de la turbulence, le DES, a été mise à l’essai, afin de déterminer les gains associés à une représentation plus fine des mouvements turbulents dans cette composante. Les requis méthodologiques liés à cette approche, notamment par rapport à la condition d’entrée, ont été explorés, dans le but de développer une meilleure expertise d’utilisation du DES. Il a été démontré que le profil de vitesse radiale imposé dans le plan d’entrée du domaine de calcul altère de façon significative l’écoulement en aval et les performances prédites. Avec le profil de vitesse radiale mesuré expérimentalement, l’allure de la courbe de performance de l’aspirateur a pu être assez bien reproduite avec l’approche de modélisation de la turbulence URANS. Toutefois, certains aspects des simulations ne concordent pas bien avec les mesures expérimentales, c’est notamment le cas de l’écart de débit entre les deux canaux de sortie. Il a été établi que les structures d’écoulement en rotation sous les aubes de la roue nécessitent une discrétisation spatiale et temporelle extrêmement fine pour éviter qu’elles se diffusent prématurément sous le plan d’entrée. Toutefois, au point d’opération considéré, leur influence sur les performances de l’aspirateur s’est avérée très faible. Les simulations DES et URANS de l’aspirateur où des conditions d’entrée axisymétriques ont été imposées ont prédit des performances similaires. Cependant, le DES permet de simuler une dynamique tourbillonnaire beaucoup plus riche, avec un maillage et un pas de temps similaire au URANS, tout en étant largement moins dépendant des quantités turbulentes modélisées imposées dans le plan d’entrée. / The work carried throughout this thesis has for objective to enhance losses predictions in hydraulic turbines draft tube. In order to acheive this, the flow in a draft tube charaterized by a sharp drop in the pressure recovery coefficient near the best efficiency point was studied. Detached Eddy Simulation (DES), an advanced turbulence modeling approach, was put to the test, in order to asses the gain attributable to a finer and more precise description of turbulent motions in this component. The numerical methods required associated to this approach, especially regarding the inlet boundary condition, were investigated. It was shown that the radial velocity profile specified at the inlet of the computational domain alters significantly the flow downstream and the predicted performance. With the measured radial velocity profile specified at the inlet of the draft tube, reasonnable agreement was found between URANS numerical results and experimental measurements of pressure recovery. However, some aspects of the numerical simulations does not agree well with experimental data. It is the case for flow imbalance between the two outlet bays. It was established that rotating flow structures underneath the runner blades require extremely fine grid and time step resolution to avoid their premature diffusion underneath the inlet plane. Nevertheless, at the studied operating point, their influence on draft tube performance was found to be very limited. DES and URANS simulations of the draft tube where axisymmetric inlet boundary conditions were imposed predicted similar pressure recovery. However, DES enables to simulate much more complex and rich turbulent motions, at a computational cost similar to the one of a URANS simulatation and with much less influence from the modeled turbulent quantities specified at the inlet plane.

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.