Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Cette thèse porte sur les turbines hydrauliques de type Francis à échelle modèle opérées en condition sans-charge. En opération sans-charge, aucune énergie n'est produite par le générateur et ce dernier ne restreint plus la vitesse de rotation de la roue. Même si les conditions sans-charge sont critiques pour la sécurité et la durée de vie des machines, elles sont, à ce jour, très peu comprises. Actuellement, il n'y a aucune vue d'ensemble des différentes conditions sans-charge. Cette thèse vise donc à identifier, décrire et classer les différentes caractéristiques des régimes sans-charges au niveau du débit, de la vitesse de rotation de la roue et de la topologie de l'écoulement. Cet objectif global se divise en quatre sous objectifs : • Trouver le meilleur paramètre adimensionnel pour définir les conditions sans charge. • Décrire les conditions d'opération le long de la courbe sans-charge en utilisant le débit et la vitesse de rotation de la roue sous une énergie spécifique donnée. • Classifier les conditions sans-charge suivant les différentes topologies de l'écoulement. • Étudier le lien entre le niveau de cavitation et la condition d'opération sans-charge. Ce projet de recherche est basé principalement sur des mesures expérimentales, des visualisations de l'écoulement sous la roue et des simulations numériques. Les mesures expérimentales le long de courbes sans-charge sous différents niveaux de cavitation ont été réalisées chez Andritz Hydro Canada sur des turbines Francis couvrant une vaste gamme de vitesse spécifique. Des simulations numériques ont aussi été réalisées lors de deux différentes conditions sans-charge pour une turbine Francis de basse vitesse spécifique. Les instabilités se développant dans les turbines hydrauliques sont souvent caractérisées suivant le niveau de rotation dans l'écoulement, appelé communément « swirl ». Cette thèse démontre que l'« angular momentum parameter », appelé RCᵤ₁₁, est le paramètre adimensionnel le plus apte à quantifier le niveau de rotation de l'écoulement et à caractériser l'écoulement des régimes sans-charge. À l'aide des triangles de vitesse théoriques en sortie des directrices, il a été possible de développer une équation semi-analytique permettant d'estimer RCᵤ₁₁ à l'entrée et à la sortie de la roue le long de la courbe d'emballement. L'analyse des données expérimentales a permis de déterminer que la vitesse de rotation de la roue, la topologie de l'écoulement sous la roue et la sensibilité du point d'opération sans-charge à la cavitation dépendent toutes de la quantité de moment cinétique en entrée et en sortie de roue. La rotation de l'écoulement en sans-charge atteint les mêmes niveaux que ceux rencontrés lors de l'opération régulière, plus précisément à charge partielle ou à très faible charge. Pour un même niveau de rotation de l'écoulement, le même type de phénomène hydraulique est rencontré sous la roue en opération sans-charge et en opération régulière. Comme pour l'opération régulière, il est possible de classer les phénomènes hydrauliques en régimes sans-charge en fonction du coefficient de débit Q$_\textup{nD}$ normalisé par rapport à sa valeur au point de meilleur rendement. Le coefficient de débit permet de quantifier le niveau de rotation de l'écoulement sous la roue à l'aide de valeurs faciles à mesurer sur un banc d'essai : le débit et la vitesse de rotation de la roue. La dépendance d'un point d'opération sans-charge à la présence de cavitation varie en fonction de la topologie de l'écoulement dans les canaux inter aubes de la roue. À l'aide de simulations numériques, la relation entre RCᵤ₁₁, le type d'écoulement dans la machine, le chargement sur les aubes et la position de la cavitation dans la roue ont été étudiés. Les simulations numériques ont démontré que le chargement sur les aubes est très différent entre des points d'opération sans-charge atteints à de petites ou à de grandes ouvertures de directrices. En sans-charge, les zones sur les aubes produisant un couple moteur, c'est-à-dire orienté dans la direction de la rotation de la roue, doivent être balancés par les régions produisant un couple de freinage, opposé à la rotation de la roue, pour atteindre une condition de couple nul. À petites ouvertures de directrices, près de la marche-à-vide, la position de la cavitation coïncide avec la zone où la majorité du couple de freinage est produit sur l'aube. La cavitation déséquilibre les moments sur les aubes et cause un changement de point d'opération. Les points d'opération sans charge à de petites ouvertures de directrices sont donc plus sensibles à la présence de cavitation. / This thesis concerns hydraulic turbines, more precisely, model Francis turbines operated at no-load condition. In no-load condition, the generator no longer produces electricity and does not restrain the runner rotation speed. Even though the no-load conditions are critical to the life expectancy of the turbine, they have been poorly understood until now. There is no general understanding of the general characteristics of no-load conditions. Thus, the main objective of this thesis is to identify, describe and classify the different characteristics of no-load conditions concerning the discharge, the runner rotation speed and the flow topology. This main objective is divided into four sub-objectives: • Finding the best dimensionless parameter to define no-load conditions. • Describing the operating conditions along the no-load curve using the discharge and the runner speed under a given specific energy. • Classifying the no-load conditions based on the flow topologies. • Studying the link between the cavitation level and the different no-load conditions. This research project is mainly based on experimental measurements, flow visualizations under the runner and numerical simulations. Experimental measurements along no-load curves under different cavitation levels have been made at Andritz Hydro Canada on Francis turbines covering a wide range of specific speeds. Numerical simulations were also performed at two different no-load conditions for a low specific speed Francis turbine. The flow instabilities in hydraulic turbines are often linked to the level of flow rotation, called swirl. Many different dimensionless numbers may be used to quantify the swirl level. This thesis demonstrates with numerical simulations that the "angular momentum parameter", called RCᵤ₁₁, is the best parameter to characterize the flow at no-load. A semi-analytical equation estimating the variation of angular momentum at the runner inlet and outlet along a no-load curve was developed using velocity triangles at the guide vane outlet. point is possible. The discharge coefficient allows quantifying the swirl level with physical quantities usually measured on a test stand: the discharge and the runner rotation speed. The no-load runner speed varies with the level of cavitation and the flow topology in the interblade channels. The links between RCᵤ₁₁, the flow topology in the turbine, the blade loading and the position of cavitating zones were studied with numerical simulations. The numerical simulations showed that the blade loading differs significantly between no-load conditions at small and large guide vane openings. In no-load, the regions over the blades producing a turbine torque, i.e., oriented in the turbine rotating direction, must be balanced by regions producing a braking torque, opposed to turbine rotation, to achieve a zero-torque condition. The cavitation is located in the regions producing most of the braking torque for no-loads at small guide vane openings, near the speed-no-load condition. The presence of cavitation unbalances the equilibrium between the motor and braking torques over the blades and changes the operating points. No-load conditions at small guide vane openings are thus more sensitive to the presence of cavitation.

L'hydroélectricité est l'une des sources les plus importantes d'énergie renouvelable. Des changements récents dans le secteur de l'énergie ont augmenté l'utilisation des turbines hydrauliques dans des conditions d'opération hors design telles que les régimes sans-charge et très faible charge. Ces conditions induisent des fluctuations significatives de pression et de contrainte sur les roues des turbines, affectant de manière critique leur durée de vie résiduelle. Pour développer des stratégies d'atténuation de ces fluctuations, il est impératif de comprendre et de caractériser en profondeur les phénomènes hydrauliques qui en sont responsables. La turbine Francis est le type de turbine hydraulique le plus largement utilisé au monde. Cependant, les données expérimentales en conditions sans charge à l'entrée de cette turbine, où certains phénomènes dommageables sont anticipés, sont limitées à des visualisations et à des mesures de pression et de contrainte. De plus, les simulations numériques existantes manquent de validation robuste en raison de l'absence de données quantitatives de champs d'écoulement sous ces conditions d'opération. Cette thèse contribue à enrichir nos connaissances sur le sujet en fournissant une base de données expérimentale et une analyse détaillée des phénomènes d'écoulement dans une turbine Francis sous des conditions de fonctionnement sans charge et à très faible charge. Cette étude emploie une technique de vélocimétrie par imagerie de particules stéréoscopique pour mesurer les trois composantes du champ de vitesse à l'entrée de la roue de la turbine Tr-Francis. Les contraintes géométriques à l'entrée de la turbine rendent ces mesures compliquées, ce qui explique la rareté des mesures d'écoulement à cet endroit. Cette étude introduit une nouvelle méthodologie pour effectuer ce type de mesure, aborde les problèmes sous-jacents et fournit des solutions complètes. Les mesures sont effectuées sur plusieurs plans radial-azimutal à différentes positions axiales couvrant l'entrefer et une grande partie des canaux inter-aubes de la roue. Plusieurs conditions sans-charge avec une faible ouverture des directrices, y inclus le fonctionnement à vide et un point d'opération à très faible charge, ont été investiguées. Les résultats révèlent les structures d'écoulement critiques dans chacune des conditions de fonctionnement étudiées. Le comportement moyen et instantané des phénomènes est discuté et les structures fluctuantes sont identifiées. En fonctionnement à vide, un écoulement de retour et une zone de circulation à forte fluctuation sont les phénomènes dominants du côté extrados des aubes. Deux zones de circulation avec des intensités et des fluctuations plus faibles que celles de la zone de circulation à l'extrados se manifestent dans le côté intrados. L'analyse de l'écoulement sur deux plans de mesure à différentes positions axiales, enrichies par les résultats d'une simulation numérique, révèlent la nature tridimensionnelle de ces phénomènes d'écoulement. Des zones de circulation similaires sont identifiées aux autres conditions d'opération sans-charge et à très faible charge. Dans d'autres points sans charges avec petite ouverture des directrices (swirl moins élevé) une seule zone de circulation forte obstrue la plupart de l'entrée du canal. La condition d'opération avec les fluctuations de vitesse les plus élevées parmi les conditions étudiées est identifiée et la structure responsable est caractérisée. / Hydropower is an important renewable energy source. In response to recent shifts in the energy sector, hydraulic turbines have been increasingly used in off-design operating conditions such as speed no-load and deep part-load. These conditions are known to induce significant pressure and strain fluctuations on the runner, critically impacting the residual lifespan of the turbines. To develop mitigation strategies, it is imperative to thoroughly understand and characterize the responsible flow phenomena. The Francis turbine is the most widely used type of hydraulic turbines. However, the experimental data in no-load conditions at the inlet of this turbine, where some damaging flow phenomena are anticipated are limited to visualizations and pressure and strain measurements. Furthermore, the existing numerical simulations lack robust validation due to the absence of quantitative flow field information at this operating condition. This thesis contributes to the body of knowledge by providing an experimental database and detailed analysis of the flow phenomena in a Francis turbine under no-load and deep part-load operating conditions. This study employs a stereoscopic particle image velocimetry technique to measure the three components of the velocity field at the inlet of the Tr-Francis turbine. The geometrical constraints at the inlet of the turbine make these measurements challenging, which explains the scarcity of such experiments. This study introduces a novel methodology, addresses the complexities of conducting such measurements and provides comprehensive solutions. Measurements are conducted on multiple radial-azimuthal planes at different axial positions covering the vaneless space and a large part of the runner interblade channels. Multiple no-load conditions with small guide vane opening, including speed no-load, and a deep part-load operating condition have been investigated. The results reveal the critical flow structures in each of the measured operating conditions. The average and instantaneous behavior of the phenomena are discussed and structures generating the highest fluctuations in the flow are identified. In speed no-load, highly fluctuating backflow and circulation zone are the flow phenomena dominating the suction side of the blade. Two circulation zones are encountered on the pressure side, but they have lower intensity and fluctuation than the one on to the suction side. The analyses of the flow on two different measurement planes, enriched with the results of a numerical simulation of the flow at speed no-load, reveal the three-dimensional nature of these phenomena. Similar circulation zones are identified at the other no-load and deep part load operating conditions. In no-load points with higher swirl (smaller guide vane openings) a single strong circulation zone obstructs most of the channel entrance. The operating condition with the highest velocity fluctuations among the studied conditions is identified and the characteristics of the responsible structure are explained.

Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Ce mémoire présente l’étude numérique d’une turbine hydroélectrique de type Francis de moyenne chute dans le cadre du projet Tr-FRANCIS au Laboratoire de Machines Hydrauliques. Le but de cette maîtrise est de caractériser les réponses structurelle et modale préliminaires de la roue en condition d’opération de marche à vide aux échelles prototype et modèle. Concrètement, le travail vise à identifier les zones de contraintes élevées et à déterminer les fréquences naturelles. La méthodologie numérique utilisée consiste à interpoler les forces induites par l’écoulement sur le maillage et à calculer la réponse structurelle suivant une approche dépendante du temps. Les modèles numériques sont validés par des études d’indépendance de maillage, l’investigation paramétrique de l’influence des conditions limites ainsi qu’en comparant des méthodes d’interpolation. Les résultats sont ensuite analysés dans les domaines temporel et fréquentiel pour mesurer le niveau de contraintes et déterminer les excitations qui sollicitent la structure. Des simulations modales permettent également d’identifier les fréquences naturelles et les déformées de la roue dans le vide et en opération dans l’eau. Les résultats structuraux de la turbine Tr-FRANCIS indiquent de faibles niveaux de contraintes statiques et dynamiques. L’étude de l’impact du chargement fluide conclut que le cisaillement pariétal et la pression doivent être considérés pour prédire fidèlement le comportement structurel de la turbine dans la condition d’opération simulée. Une analyse paramétrique montre que des variations de la vitesse du son dans l’eau entraînent une réduction des fréquences naturelles de la roue dans sa configuration confinée. L’application d’une méthode de transposition de la réponse structurelle du modèle prédit fidèlement les contraintes statiques et dynamiques du prototype. Finalement, la mise à l’échelle des fréquences naturelles suggère l’utilisation d’une vitesse du son réduite à l’échelle modèle. / This thesis presents the numerical study of a medium-head hydroelectric Francis turbine within the scope of the Tr-FRANCIS project at the Hydraulic Machine Laboratory. The goal of this masters is to characterize the preliminary structural and modal responses of the runner in speed-no-load operating condition at prototype and model scales. Specifically, the work aims at identifying the areas of high stresses and at determining the natural frequencies. The numerical methodology used consists of interpolating the flow-induced forces onto the mesh and to calculate the structural response following a time-dependent approach. The numerical models are validated with mesh independence studies, the investigation of the influence of boundary conditions and by comparing mapping methods. The results are then analyzed in the time and frequency domains to measure the stress levels and to determine the excitations that solicit the structure. Modal simulations also allow identifying the natural frequencies and the mode shapes of the runner in void and in operation in water. The structural results of the Tr-FRANCIS turbine indicate low levels of static and dynamic stresses. The study of the impact of the fluid loading concludes that wall shear and pressure must be considered to accurately predict the structural behaviour of the turbine in the operating condition simulated. A parametric analysis shows that variations of the speed of sound in water leads to a reduction in the natural frequencies of the runner in its confined configuration. The application of a transposition method of the structural response of the model adequately predicts the static and dynamic stresses of the prototype. Finally, the scaling of the natural frequencies suggests the use of a reduced speed of sound at model scale.

Titre de l'écran-titre (visionné le 13 décembre 2023) / Bien que l'hydroélectricité ne soit pas une technologie récente, elle constitue une source d'énergie verte dont l'utilisation est appelée à croître dans les décennies à venir. La flexibilité de production des turbines hydrauliques permet d'équilibrer la puissance fournie au réseau avec la demande en électricité. Leurs paramètres d'opération sont adaptés continuellement afin d'assurer cet équilibre. Lorsqu'une production plus importante est requise, le passage d'un débit d'eau supérieur dans les turbines permet typiquement d'augmenter la puissance qu'elles fournissent. Passé un certain point, le rendement des turbines diminue, et l'augmentation du débit ne se traduit plus par une augmentation de puissance aussi importante. Il s'agit d'un comportement normal qui est une conséquence de la dynamique de l'écoulement dans leurs composantes. Toutefois, certaines turbines présentent plutôt une chute de rendement hydraulique importante et soudaine près de leur point de meilleur rendement. Celle-ci corrèle avec l'apparition de décollements de la couche limite dans leur aspirateur, une composante située à l'aval de la roue. Ces baisses d'efficacité réduisent leur flexibilité d'opération et peuvent aussi, dans certains cas, résulter en une baisse de la puissance fournie au réseau. Cette thèse vise à étudier les mécanismes menant à l'apparition des décollements, dont la compréhension ouvrirait la voie à l'implantation de correctifs et à l'amélioration des outils et pratiques de conception. L'étude est basée sur l'analyse expérimentale des champs de vitesse et de pression dans l'aspirateur d'une turbine bulbe modèle. Suivant l'hypothèse d'une interaction entre les séparations de la couche limite et une instabilité de l'écoulement dans le sillage de la roue, des mesures vélocimétriques par imagerie de particules résolues dans le temps (TR-PIV) ont été effectuées au centre de l'aspirateur afin d'explorer la dynamique de l'écoulement dans cette région et ses relations avec la chute de rendement. Ces mesures ont permis d'identifier une structure cohérente qui évolue dans le sillage ainsi que des séparations survenant à l'amont de l'aspirateur n'ayant pas été détectées lors des campagnes de mesure antérieures. Il est démontré que ces séparations ne sont pas présentes continuellement, et qu'elles surviennent et disparaissent sur des échelles de temps allant jusqu'à plusieurs centaines de tours de roue. Pour une condition d'opération unique, l'aspirateur peut donc tout aussi bien fonctionner efficacement que subir de larges décollements qui limitent sa performance. Ce constat supporte la multiplicité de solutions ayant été obtenues numériquement près du sommet de rendement. Des analyses par décomposition modale des champs de vitesse instantanés expliquent la présence de la structure cohérente par une instabilité de l'écoulement qui est amplifiée par la rotation de la roue. Le taux d'amplification de cette instabilité diminue significativement près du point où la chute de rendement survient, et il en résulte une transition dans la topologie de la structure. Ces observations expérimentales sont les premières à supporter la possibilité d'un changement dans l'état de stabilité de l'écoulement en lien avec la chute de rendement, tel que suggéré précédemment par des analyses de stabilité théoriques. Les analyses modales transitoires montrent par ailleurs des changements importants dans la dynamique du sillage lorsque certaines séparations se produisent. Sans l'exclure, ces résultats ne permettent toutefois pas de conclure à un lien de cause à effet direct entre la stabilité de la structure et les décollements de la couche limite. Les analyses du point de vue transitoire démontrent finalement que les décollements déjà observés à l'aval et au centre de l'aspirateur, ainsi que les larges séparations nouvellement identifiées à l'amont, sont de natures distinctes. Alors que les séparations à l'aval sont présentes dès le sommet de rendement, celles survenant près de la roue à l'amont gagnent davantage en importance avec l'augmentation du débit et deviennent rapidement le facteur contributif le plus important à la chute de rendement. / Although hydroelectricity is not a recent technology, it constitutes a source of green energy whose use is set to grow in the decades to come. The production flexibility offered by hydraulic turbines makes it possible to balance the power supplied to the grid with the electrical demand. Their operating parameters are continuously adapted to ensure this balance. When higher production is required, increasing the water flow rate through the turbines typically makes it possible to increase the power they provide. After a certain point, the turbines' efficiency decreases, and further increasing the flow rate no longer translates into a significant gain in power. This behavior is expected and is a consequence of the flow dynamics in their components. However, some turbines exhibit an important and sudden hydraulic efficiency drop near their best efficiency point which correlates with the onset of boundary layer separation in their draft tube, a component located downstream of the runner. These efficiency drops reduce the flexibility of operation and can also, in some cases, result in a drop in the power supplied to the electrical grid. This thesis aims to study the mechanisms leading to the appearance of these flow separations, the understanding of which would pave the way for the implementation of mitigation mechanisms and the improvement of design tools and practices. The study is based on the experimental analysis of velocity and pressure fields in the draft tube of a model bulb turbine. Following the hypothesis of an interaction between the flow separations and an instability in the wake of the runner, time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements were carried out at the center of the draft tube to explore the flow dynamics in this region and their relationship with the efficiency drop. These measurements made it possible to identify a coherent structure located in the wake as well as separations occurring in the upstream part of the draft tube which had not been detected during previous measurement campaigns. It is shown that these separations are not continuously present and that they appear and disappear over time scales of up to several hundred runner revolutions. For a given operating condition, the draft tube may therefore operate efficiently as well as undergo large flow separations, limiting its performance. This observation supports the multiple solutions that have been obtained numerically around the best efficiency point. Using modal decompositions of the instantaneous velocity fields, the presence of the coherent structure is explained by an instability of the flow which is amplified by the rotation of the runner. The amplification rate of this instability decreases significantly near the point where the efficiency drop occurs, resulting in a transition in the topology of the structure. These experimental observations are the first to support the possibility of a change in the stability of the flow related to the efficiency drop, as suggested previously by theoretical stability analyses. Transient modal analyses also show a significant change in the wake dynamics when certain separations occur. Without excluding it, these results do not, however, allow concluding that there is a direct causal relationship between the stability of the structure and the flow separations. Finally, the analyses from the transient point of view demonstrate that the separations that were previously observed in the downstream part and near the center of the draft tube, as well as the large separations newly identified upstream, are of distinct natures. While downstream separations are already present at peak efficiency, those occurring upstream, near the runner, gain more importance as the flow rate is increased and rapidly become the most significant contributing factor to the efficiency drop.

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.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1998. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Ce projet de maîtrise vise réaliser la conception d'un générateur de tourbillons tels qu'observés à la sortie de la roue d'une turbine Francis dans des conditions de pleine charge. Le processus de conception du générateur de tourbillons est basé sur l'application d'un processus d'optimisation géométrique en ayant recours aux simulations numériques d'écoulements (CFD). Des simulations numériques RANS et URANS multiphases ont d'abord été réalisées sur le cas test du projet Tr-FRANCIS avec des conditions permettant de reproduire le régime de pleine charge. Ensuite, des profils de vitesse ont été extraits des simulations en sortie de la roue de la turbine et utilisés pour définir des objectifs d'optimisation de la géométrie des aubes du générateur de tourbillons. Une fois que des géométries optimisées ont été obtenues, les caractéristiques de l'écoulement généré issu des tests d'optimisation ont été comparées avec l'écoulement cible. Le comportement de l'optimiseur a également pu être étudié. Les profils de vitesse en sortie des générateurs de tourbillons optimisés présentent des topologies globales semblables aux profils de vitesse cibles. Cependant, des écarts ont tout de même été observés dans les profils, particulièrement loin du moyeu, ce qui contribue à faire varier les caractéristiques du swirl dans l'écoulement et la dynamique des tourbillons générés par le fait même. Des formes particulières des aubes des générateurs de tourbillons optimisés ont également été obtenues. Ces observations sont vraisemblablement dues à un nombre de degrés de liberté insuffisant spécifié à l'optimiseur, ainsi qu'à une pondération plus élevée accordée aux objectifs près du moyeu. Une analyse des distributions de pression absolue a montré qu'en diminuant la pression de sortie jusqu'à observer une zone cavitante en sortie de la roue de la turbine, la pression en aval du générateur de tourbillons serait trop élevée pour qu'il y ait présence d'une zone cavitante également. Néanmoins, ce problème pourrait être pallié en diminuant la pression de sortie davantage avec le générateur de tourbillons. Des différences topologiques ont été observées dans les structures tourbillonnaires en sortie de la turbine Francis et du générateur de tourbillons. Le tourbillon généré en sortie du générateur de tourbillons présente une forme plus large en diamètre et moins allongée que dans le cas de la turbine. Considérant les écarts observés dans les profils de vitesse et dans les caractéristiques du swirl, des différences dans la dynamique des tourbillons générés sont attendues. / This master's project aims to design a swirler that can reproduce the same vortices as the ones observed at the outlet of a Francis runner under full load conditions. The design process of the swirler is based on the application of a geometric optimization process using numerical flow simulations (CFD). Multiphase RANS and URANS numerical simulations were first carried out on the test case of the Tr-FRANCIS project with conditions allowing to reproduce the full load regime. Then, velocity profiles were extracted from the simulations at the outlet of the turbine runner and used to define objectives for optimizing the geometry of the swirler blades. Once optimized geometries were obtained, the characteristics of the generated flow from the optimization tests were compared to the target flow. The behavior of the optimizer was also studied. Velocity profiles at the exit of the optimized swirlers have overall topologies similar to the target velocity profiles. However, deviations were still observed in the profiles, especially far from the hub, which contributes to varying the characteristics of the swirl in the flow and dynamics of the vortices generated consequently. Particular shapes of the optimized swirler blades were also obtained. These observations are likely due to an insufficient number of degrees of freedom specified to the optimizer, as well as a higher weighting given to the objectives near the hub. An analysis of absolute pressure distributions showed that by reducing the outlet pressure until a cavitating zone is observed at the turbine runner exit, the pressure downstream of the swirler would be too high for there to be a cavitating zone also. However, this problem could be overcome by lowering the outlet pressure further with the swirler. Topological differences were observed in the vortex structures at the Francis turbine and swirler exit. The vortex generated downstream of the swirler has a larger diameter and has a less elongated shape than in the case of the turbine. Considering the differences observed in the velocity profiles and in the swirl characteristics, differences in the dynamics of the generated vortices are expected.

Les turbines hydrauliques sont devenues un atout important pour la régulation de la puissance sur les réseaux électriques. Cependant, les scénarios de régulation de puissance exigent que les turbines fonctionnent loin de leurs points d'opération optimale, dans des régions où de grandes uctuations de pression peuvent affecter l'intégrité structurale de la turbine. Cette thèse présente des contributions a l'etude de l'hydrodynamique de l'écoulement dans une turbine helice modele fonctionnant dans des conditions de charge partielle et de vitesse-sans-charge. À charge partielle, les fluctuations de pression principales sont associées à un vortex cavitant. Des mesures provenant de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) couplées à des techniques de fluorescence induite par laser et d'ombroscopie ont été utilisées pour reconstruire l'interface eau-vapeur et identier l'origine de fluctuations aectant la précision des mesures de PIV moyennées en phase. De plus, des capteurs de pression miniatures incorporés dans deux aubes de la roue ainsi que des jauges de deformation montées sur les aubes ont fourni des données pour quantier l'impact du vortex de charge partielle sur la turbine. Cette thèse présente également l'une des premieres etudes detaillees sur les conditions transitoires et sans charge dans une turbine modèle. Les capteurs de pression et de déformation sur les aubes ont ete utilisés pour identier les instabilités dominantes dans des conditions de vitesse sans charge et d'emballement. Des simulations basées sur la technologie Scale Adaptive Simulations (SAS) de la condition de vitesse-sans-charge ont été utilisés pour étudier un décrochage tournant dans la roue. Des simulations sans les aubes indiquent que le décrochage tournant est associé à une couche cisaillée provenant d'une recirculation autour du moyeu de la roue et d'une séparation de la couche limite sur le fond supérieur. / Hydraulic turbines have become an important asset to provide power regulation on electrical grids. However, power-regulation scenarios require turbines to operate far from their best eciency conditions, in regions where large pressure uctuations aect the turbine structural integrity. This is particularly acute for xed blade reaction turbines such as propeller units. This thesis presents contributions to the study of the hydrodynamics of the ow in a model propeller turbine operating in part-load and speed-no-load conditions. In part load, the main pressure uctuations are associated with the part-load vortex. Data from Particle Image Velocimetry (PIV), coupled to Laser Induced Fluorescence and shadowgraphy techniques, were used to reconstruct the water-vapour interface and to identify the origin of uctuations aecting the precision of the phase-averaged PIV measurements. Furthermore, miniature pressure transducers imbedded in two runner blades and strain gages at the blade roots provided data to quantify the impact of the part load vortex on the runner. This thesis also presents one of the rst detailed studies on transient and no-load conditions in a model hydro-turbine. Pressure and strain sensors were used to identify the dominant ow instabilities in speed-no-load and runaway conditions. Scale Adaptive Simulations (SAS) of the speed-no-load condition were used to study a rotating stall dominating the runner ow. Simulations without runner blades indicate that the rotating stall is associated with an unstable shear-layer originating from a recirculation around the runner hub and a boundary layer separation on the turbine head cover. Those results open the possibility of eventually developing mitigation techniques.