Dans une turbine hydraulique, la rotation des aubes dans l’eau crée une zone de basse pression, amenant l’eau à passer de l’état liquide à l’état gazeux. Ce phénomène de changement de phase est appelé cavitation et est similaire à l’ébullition. Lorsque les cavités de vapeur formées implosent près des parois, il en résulte une érosion sévère des matériaux, accélérant de façon importante la dégradation de la turbine. Un système de détection de l’érosion de cavitation à l’aide de mesures vibratoires, employable sur les turbines en opération, a donc été installé sur quatre groupes turbine-alternateur d’une centrale et permet d’estimer précisément le taux d’érosion en kg/ 10 000 h. Le présent projet vise à répondre à deux objectifs principaux. Premièrement, étudier le comportement de la cavitation sur un groupe turbine-alternateur cible et construire un modèle statistique, dans le but de prédire la variable cavitation en fonction des variables opératoires (tels l’ouverture de vannage, le débit, les niveaux amont et aval, etc.). Deuxièmement, élaborer une méthodologie permettant la reproductibilité de l’étude à d’autres sites. Une étude rétrospective sera effectuée et on se concentrera sur les données disponibles depuis la mise à jour du système en 2010. Des résultats préliminaires ont mis en évidence l’hétérogénéité du comportement de cavitation ainsi que des changements entre la relation entre la cavitation et diverses variables opératoires. Nous nous proposons de développer un modèle probabiliste adapté, en utilisant notamment le regroupement hiérarchique et des modèles de régression linéaire multiple. / Cavitation erosion which results from repeated collapse of transient vapor cavities on solid surfaces is a constant problematic in hydraulic turbine runners and continues to enforce costly repair and loss of revenues. A vibratory detection system of cavitation erosion was installed 10 years ago for continuous monitoring of 4 hydropower units. A new hardware version of the system was developed and installed in 2010. This new system configuration is more reliable and allows more accurate evaluation of the cavitation erosion of the runners in kg/10 000 h. The first objective of this study is to investigate cavitation behavior upon one generating unit and to build a statistical model which will allow prediction of instant cavitation related to operating variables, such as gate opening, water flow, headwater level, tailwater levels, etc. The second objective is to develop a methodology for the reproducibility of the studies to other sites. A retrospective study will be conducted and we will mainly focus on data available since the system update in 2010. The preliminary analysis enhanced the complexity of the phenomenon. Indeed, changes in the relationship between cavitation and various operating variables were observed and could be due to a seasonal behavior or different operating conditions. Using hierarchical clustering and regression models, we formalize this heterogeneity by developing a model which includes operating variables such as active power, tailwater level and gate opening.

La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en œuvre l'effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d'entrée de l'écoulement; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d'essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche non intrusive de quantification d'incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d'intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d'entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d'entrée (profils de vitesse,en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L'approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d'intérêt mais également pour disposer d'une analyse de la variance qui permet d'identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d'expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d'entrée.Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d'évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d'une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d'une stratégie SGE et d'une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d'entrée permet également de proposer une démarche d'optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudié. / The reliable numerical simulation of hydraulic turbines performance requires : i) to includeinto the conventional RANS computations the effect of the uncertainties existing in practiceon the inflow conditions; ii) to rely on a LES (Large Eddy Simulation) strategy to improve thedescription of turbulence effects when discrepancies between RANS computations and experimentskeep arising even though uncertainties are taken into account. The present workapplies a non-intrusive Uncertainty Quantification strategy (NISP for Non-Intrusive SpectralProjection) to two configurations of practical interest : a Francis turbine distributor, with uncertaininlet flow rate and angle, and a draft-tube of a bulb-type turbine with uncertain inflowconditions (velocity distributions, in particular close to the wall boundaries, and turbulentquantities). The NISP method is not only used to compute the mean value and variance ofquantities of interest, it is also applied to perform an analysis of the variance and identify inthis way the most influential uncertainties. The RANS simulations, verified through a gridconvergence approach, are such the discrepancies between computation and experimentcannot be explained by taking into account the inflow uncertainties for most of the configurationsunder study. Therefore, LES simulations are also performed and these simulations areverified using an original methodology for assessing the quality of the computational grids(since the grid-convergence concept is not relevant for LES). For most of the flows understudy, combining a SGE strategy with a UQ approach yields reliable numerical results. Takinginto account inflow uncertainties also allows to propose a robust optimization strategy forthe Francis turbine distributor under study.

La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en œuvre l'effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d'entrée de l'écoulement; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d'essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche non intrusive de quantification d'incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d'intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d'entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d'entrée (profils de vitesse,en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L'approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d'intérêt mais également pour disposer d'une analyse de la variance qui permet d'identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d'expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d'entrée.Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d'évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d'une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d'une stratégie SGE et d'une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d'entrée permet également de proposer une démarche d'optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudié. / The reliable numerical simulation of hydraulic turbines performance requires : i) to includeinto the conventional RANS computations the effect of the uncertainties existing in practiceon the inflow conditions; ii) to rely on a LES (Large Eddy Simulation) strategy to improve thedescription of turbulence effects when discrepancies between RANS computations and experimentskeep arising even though uncertainties are taken into account. The present workapplies a non-intrusive Uncertainty Quantification strategy (NISP for Non-Intrusive SpectralProjection) to two configurations of practical interest : a Francis turbine distributor, with uncertaininlet flow rate and angle, and a draft-tube of a bulb-type turbine with uncertain inflowconditions (velocity distributions, in particular close to the wall boundaries, and turbulentquantities). The NISP method is not only used to compute the mean value and variance ofquantities of interest, it is also applied to perform an analysis of the variance and identify inthis way the most influential uncertainties. The RANS simulations, verified through a gridconvergence approach, are such the discrepancies between computation and experimentcannot be explained by taking into account the inflow uncertainties for most of the configurationsunder study. Therefore, LES simulations are also performed and these simulations areverified using an original methodology for assessing the quality of the computational grids(since the grid-convergence concept is not relevant for LES). For most of the flows understudy, combining a SGE strategy with a UQ approach yields reliable numerical results. Takinginto account inflow uncertainties also allows to propose a robust optimization strategy forthe Francis turbine distributor under study.

L’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique entraîne de nouveaux besoins chez les exploitants de centrales hydroélectriques. Ainsi, les fabricants de turbines hydrauliques doivent garantir des plages de fonctionnement de plus en plus étendues, afin d’assurer une plus grande flexibilité d’utilisation des machines. Pour les turbines Francis, un fonctionnement en-dehors des conditions nominales implique potentiellement une augmentation des sollicitations mécaniques, notamment à faible débit (charge partielle). Cette hausse est due à l’apparition de phénomènes hydrauliques dans l’écoulement, dont notamment les vortex inter-aubes. Pour garantir des plages de fonctionnement étendues à leurs clients, les fabricants se doivent de maîtriser l’impact de telles conditions d’opération sur la durée de vie de leurs machines. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’écoulement complexe dans la turbine et son impact mécanique à charge partielle. Dans ce contexte, cette thèse a une double approche expérimentale et numérique. L’analyse se base sur des mesures et des observations réalisées lors d’essais sur modèles réduits. Elles ont permis de corréler les phénomènes hydrauliques observés et l’évolution des fluctuations de pression et des déformations dynamiques mesurées, pour différents points de fonctionnement. Ces résultats ont notamment été utilisés pour estimer le phénomène de fatigue lors du fonctionnement continu d’une turbine à très faible charge. La simulation numérique des fluides (CFD) a également été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la formation des vortex inter-aubes, et pour prédire le chargement dynamique qui s’exerce sur la roue à charge partielle. La validation des résultats numériques est basée sur la comparaison avec les données expérimentales issues des précédents essais sur modèles réduits. / The integration of renewable energies into the electricity grid brings new needs for hydro power plant operators in terms of how they are operated. Consequently, hydraulic turbine manufacturers are required to extend their machine’s operating range in order to increase their flexibility. In the case of Francis turbines, dynamic stresses could increase in off-design conditions due to several hydraulic phenomena that appear in the flow, especially at partial load. One of them is the development of inter-blade vortices in the runner. In order to guarantee an extended operating range manufacturers have to control the impact of such operating conditions on their turbines lifetime. Therefore, a better understanding of complex partial load flows and their mechanical impact on the turbines is needed. In this context, this thesis uses both experimental and numerical approaches. Reduced scale model turbines were tested in order to correlate hydraulic phenomena observed in the flow and the evolution of pressure and strain fluctuations for different operating points. The results were then used to estimate the turbine fatigue in partial load conditions. Computational Fluid Dynamics was also used to better understand the formation of inter-blade vortices and to predict the dynamic loading on the runner at partial load. These numerical results were validated by comparison with the experimental data from the previous test rig measurements and observation campaigns.