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.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Ce mémoire vise à contribuer à l'amélioration de la prédiction numérique des performances d'une turbine hydraulique par la quantification de l'impact de certains paramètres d'influence, autant physiques que méthodologiques. Pour ce faire, l'écoulement dans une turbine caractérisée par une chute de rendement près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Cette dernière est associée à une baisse abrupte du coefficient de récupération de l'aspirateur, une composante connue pour jouer un rôle capital dans les performances globales de la machine. L'accent a particulièrement été mis sur l'étude du débalancement de l'écoulement sous la roue, observé à la suite d'une campagne de mesure expérimentale effectuée sur le banc d'essai du CREMHyG à Grenoble. En effet, l'écoulement en sortie de roue est souvent considéré axisymétrique dans les simulations numériques, une simplification qui est en désaccord avec les données expérimentales du cas étudié dans ce projet de recherche. Afin d'identifier la nature du débalancement, une analyse critique a été menée sur les données expérimentales. Toutefois, aucune conclusion satisfaisante n'a pu être tirée puisqu'une inconsistance entre les données obtenues par LDV et celles obtenues par PIV a été décelée. Considéré statique, il a été démontré que la présence d'un tel débalancement à l'entrée de l'aspirateur altère considérablement la topologie de l'écoulement en aval ainsi que la prédiction des performances. De plus, certains aspects des simulations obtenus avec ce type de débalancement ne concordent pas avec les observations expérimentales, c'est notamment le cas pour la zone d'amorçage du décollement mais aussi pour l'écart de débit entre les deux pertuis. Il a également été montré que les simulations des composantes fixes en amont de l'aspirateur, incluant une importante partie de la conduite d'amenée, ne permettent pas de retrouver l'asymétrie de l'écoulement observée expérimentalement en sortie de roue. En effet, l'écoulement secondaire, associé à la présence d'une conduite coudée en amont de la bâche spirale, s'est avéré avoir très peu d'influence sur la distribution de l'écoulement dans l'avant-distributeur et dans le distributeur. La conduite menant jusqu'à l'entrée de la bâche spirale semble être assez longue pour que les modifications apportées au profil de vitesse deviennent insuffisantes pour perturber l'écoulement à cet endroit. / This master degree thesis aims at enhancing the numerical prediction of the performance of a hydraulic turbine by quantifying the impact of physical and methodological influencing parameters. To this end, the flow in a turbine characterised by an efficiency drop near the best efficiency point was studied. The latter is associated with a sharp drop in the recovery coefficient of the draft tube, a component known to play a key role in the global performance of the machine. Particular emphasis was placed on the study of the imbalance of the flow at the runner exit, observed following an experimental measurement campaign carried out on the CREMHyG test bench in Grenoble. Indeed, the flow at the runner exit is often considered axisymetric in numerical simulations, a simplification that is not consistent with the experimental data of the case studied in this research project. In order to identify the nature of the imbalance, a critical analysis was conducted on the experimental data. However, no satisfactory conclusion could be drawn since inconsistency between the data obtained by LDV and those obtained by PIV was identified. Considered static, it has been shown that the presence of such an imbalance at the inlet of the draft tube alters considerably the topology of the downstream flow as well as the prediction of the performances. Moreover, some aspects of the simulations obtained with this type of imbalance do not agree with the experimental observations, it is notably the case for the initiation zone of the flow detachment but also for the flow rate imbalance between the two draft tube channels. It has also been shown that the numerical simulations of fixed components upstream of the draft tube, including a large part of the penstock, do not allow to recover the asymmetry of the flow experimentally observed at the exit of the runner. Indeed, the secondary flow, associated with the presence of a bend upstream of the spiral case, proved to have a very little influence on the distribution of the flow in the distributor. The pipe leading to the entrance of the spiral case appears to be long enough for changes made in the velocity profile to become insufficient to disrupt the flow at this place.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire de maîtrise visent à décrire la source hydraulique de vibrations mesurées lors de la mise en service d’une roue Francis. Lors de l’essai de rejet de charge à partir de la puissance maximale, il a été relevé que la roue subissait des vibrations autoexcitées à l’une de ses fréquences naturelles. L’objectif de ces travaux est d’identifier le phénomène hydraulique causant l’entrée en vibrations auto-excitées de la roue submergée. Puisque la cavitation semble jouer un rôle dans cette problématique, les capacités du solveur fluide ANSYS CFX à simuler de la cavitation instationnaire ont été évaluées. De ce fait, deux géométries ayant été étudiées expérimentalement ont été simulées. Cette étude a permis de conclure que l’approche homogène, plus stable et couramment utilisée dans la littérature, ne permet pas de reproduire de façon fiable les fluctuations de pression causées par l’instationarité des cavités de vapeur. Il a cependant été montré que les simulations permettent de prédire la forme, la localisation ainsi que les mécanismes entraînant la présence de vapeur dans l’écoulement. De plus, il a été demontré que la cavitation est un phénomène particulièrement sensible et sujet à répondre en phase à une excitation oscillatoire, par exemple la vibration de la roue. Les simulations numériques réalisées durant différentes phases du rejet de charge transitoire ont entre autres permis d’identifier que lorsque les vibrations apparaissent, une forte région de vapeur se crée au bord de fuite de l’aubage, près du plafond. En augmentant le temps de fermeture du distributeur, le partenaire industriel a réussis à éliminer les vibrations problématiques. En réalisant des simulations avec différents temps de fermeture, il a été démontré que la solution proposée permet d’augmenter le niveau de pression dans le canal inter-aubes, réduisant ainsi la quantité de vapeur s’y trouvant. Cela laisse suggérer que la cause d’entrée en vibrations de la roue est la cavitation se formant durant le rejet de charge. Cependant, il est à noter que les différentes méthodologies proposées n’ont pas permis d’obtenir les fréquences d’excitation mesurées expérimentalement, essentiellement à cause de limitations liées à la modélisation de la cavitation. / The work presented in this master degree thesis aims to identify the hydraulic cause of mechanical vibrations measured during the commissioning of a Francis runner. During the test of load rejection from maximal power output regime, it was noticed that the runner entered a state of self-excited vibrations at one of its natural frequencies. The purposes of this work is to investigate the hydraulic phenomenon which causes the submerged runner to enter self-excited vibrations. Since cavitation is expected to play a role in this problematics, there was a need to evaluate the capabilities of the fluid solver ANSYS CFX to solve unsteady cavitating flows. Two geometries which had been investigated experimentally were thus simulated. It was concluded that the homogeneous approach, more robust and widely used in the literature, does not lead to a reliable prediction of the pressure fluctuations caused by cavitation. It was however shown that the simulations allowed to predict the shape, the location as well as the physical mechanisms responsible for the presence of vapor in the flow. It was also demonstrated that cavitation is a phenomenon particularly sensitive and subject to respond in phase to oscillatory perturbations, for instance the vibrating runner. The numerical simulations carried out at different phases of the load rejection transient have established that when the vibrations appear, a wide region of vapor forms at the trailing edge of the blade, near the crown. By increasing the distributor closing time, the industrial partner in this work had success in eliminating such problematic vibrations. In our case, when performing simulations with increased closing times, it was demonstrated that the solution proposed allows to increase the pressure level in the inter-blade channel, lowering the quantity of vapor it contains. This strongly suggests that the hydraulic cause of the vibrations is the cavitation forming during the load rejection. However, one can note that the proposed methodologies have not permitted to predict the excitation frequencies as measured experimentally, essentially due to limitations in the modeling of cavitation.

Ce projet présente l’étude expérimentale de l’écoulement à la sortie du diffuseur d’une turbine de type bulbe. La technique de mesure d’anémométrie laser à effet Doppler (LDV) a été utilisée pour les trois montages expérimentaux, situés au-dessus et sur les deux côtés du diffuseur pour obtenir les trois composantes de vitesse. Une importante chute de rendement a été mesurée dans un modèle réduit d’une turbine de type bulbe opérant à forte charge. Des études précédentes ont relié la chute de performance avec les pertes du diffuseur, et en particulier avec la zone de séparation de l'écoulement aux parois du diffuseur. Dans la présente étude, l'écoulement a été étudié à la sortie de la trompette de la turbine, qui est une section du diffuseur qui permet de passer d'une section circulaire à une section rectangulaire. La turbine a été étudiée pour cinq conditions d'opération, qui représentent les différents phénomènes de l'écoulement à la sortie du diffuseur. En plus du champ de vitesse, l'analyse a été effectuée pour le coefficient d’intermittence de la vitesse débitante et pour la composante de la vorticité autour l’axe axial Z. Les résultats révèlent une zone contrarotative dans le diffuseur, qui s'intensifie avec l'ouverture des directrices. L'ouverture des directrices induit une modification aux phénomènes hydrauliques : à partir d'une recirculation de l'écoulement dans la zone centrale pour la condition d'opération à plus faible charge, vers un écoulement de retour induit par la séparation de l'écoulement aux parois pour les conditions d'opérations à forte charge. / This project presents the experimental study of the flow at the diffuser outlet of a bulb turbine. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on three experimentals setups located above and on two sides of the diffuser to obtain the three velocity components. An important drop in turbine performances has been measured in a bulb turbine model operated at overload. Previous investigations have correlated the performance drop with diffuser losses, and particularly to the flow separation zone at the diffuser wall. In the present study, the flow has been investigated at the exit of the turbine, which is a diffuser section that transforms from a circular to a rectangular section. The turbine has been operated at five operating points, which are representative of different flow patterns at the diffuser exit. In addition to the average velocity field, the analysis has been conducted based on a backflow occurrence function and on the vorticity level. Results reveal a counter-rotating zone in the diffuser, which intensifies with the guide vanes opening. The guide vanes opening induces a modification of the flow phenomena: from a central backflow recirculation zone at the lowest flowrate to a backflow zone induced by flow separation at the wall at the highest flowrate.

Ce mémoire a comme objectif de prédire les performances d’une turbine modèle de type bulbe à l’aide de simulations numériques RANS k-ε. Tout d’abord, par des simulations numériques, on valide les éléments de la méthodologie les plus susceptibles d’influencer la qualité des résultats. Par la suite, on obtient la colline de rendement numérique et on analyse l’effet du jeu de bout d’aube ainsi que des jeux au moyeu sur la prédiction de performance. Les résultats indiquent que la colline de rendement numérique se compare bien à la littérature portant sur les turbines bulbes. On montre, de plus, que tenir compte du jeu de bout d’aube dans la simulation numérique diminue de manière significative le rendement prédit. L’impact des jeux au moyeu est cependant négligeable sur la prédiction de performance de la turbine. Finalement, une modification de l’aspirateur est proposée pour la suite du projet entrepris par le consortium de recherche.

L'objectif du présent mémoire est de clarifier l'influence qu'ont sur la solution divers paramètres de calcul couramment utilisés en mécanique des fluides numérique, dans le but d'améliorer la prédiction de l'écoulement dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour y arriver, la résolution eulérienne des équations de Navier-Stokes est faite par une approche RAXS à l'aide du logiciel commercial ANSYS CFX. Pour les trois cas tests sélectionnés, la turbulence est modélisée à l'aide des modèles à deux équations k ? e ou SST. Les résultats principaux font ressortir très clairement l'impact de la composante radiale de la vitesse ainsi que des quantités turbulentes imposées sur la frontière amont du domaine de calcul. On remarque aussi que l'extension ajoutée en aval du domaine d'intérêt peut quant à elle faire varier de façon significative la pression statique dans la dernière portion de la géométrie et ainsi influencer le coefficient de récupération mesuré. Finalement les deux modèles de turbulence utilisés sont eux aussi susceptibles d'influencer le développement de l'écoulement.