Ce projet de maîtrise a pour but d'améliorer l'uniformité de l'écoulement en entrée de turbine dans le banc d'essai du Laboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l'Université Laval. Pour cela, une approche numérique a été utilisée. Diverses simulations numériques de ce banc d'essai ont été réalisées sur le logiciel de simulation numérique ANSYS CFX, afin de permettre la comparaison de différentes solutions techniques. Une simulation utilisant l'approche URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) avec un modèle de turbulence k-e a d'abord été réalisée pour analyser le comportement de l'écoulement dans le banc d'essai initial du laboratoire. La validation de ce modèle est basée sur un travail antérieur donnant le comportement expérimental de l'écoulement en certains endroits dans le banc d'essai, en amont d'une turbine bulbe. Cette simulation a montré qu'une modification majeure de l'amenée aurait un effet bénéfique sur l'écoulement. Les autres simulations, utilisant une approche RANS (Reynolds Average Navier-Stokes), ont servi à comparer différentes solutions technologiques envisageables selon la littérature pour une application dans le banc d'essai, et qui seraient, à priori, bénéfiques pour la stabilité de l'écoulement. L'analyse de diverses caractéristiques de cet écoulement a permis de mettre en avant deux solutions aux résultats prometteurs dans ces conditions d'expérimentation, à savoir l'installation d'un coude avec deux aubes directrices avant la section d'essai, et l'installation d'une plaque stabilisatrice d'écoulement dans un tuyau droit en amont de la turbine. Cette dernière solution est celle qui aura été retenue par le LAMH pour son nouveau projet de recherche : Tr-Francis. / The objetive of this project is to improve the uniformity of the inlet flow of a turbine within the test bench of the Laboratory of Hydraulic Machines, LAMH, of Université Laval. For this purpose, a numerical approach has been employed. Several numerical simulations have been carried out on the software "ANSYS CFX" and compared with one another, after validation of the simulation conditions and assumptions. A simulation using the URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) approach with a turbulence model k-e was first used to analyze the flow behavior in the original test bench installed in the laboratory. The validation of the model is based on a previous project giving the experimental flow behavior at certain locations in the test bench upstream a bulb turbine. The simulation showed that a major change in the configuration upstream of the turbine in the test bench would be beneficial on the effect it has on the flow. Other simulations using the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) approach compared several technological solutions for application in the modified test bench, which, according to the literature, would be beneficial for flow stability. The analysis of various flow characteristics higlighted two potential solutions in this situation : the installation of a curved pipe with two guided vanes upstream of the test section, or the installation of a flow stabilizer plate in a straight pipe to replace the upstream tank, upstream the turbine. This second solution is the one the LAMH put to use for its next project : Tr-Francis.

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.

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

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: The aim of this project is to study the structural design and costing of various designs of tall wind turbine towers and the associated foundations in a South African context. Speci c design guidelines are proposed for the design of tubular steel, concrete and concrete-steel hybrid towers and foundations for hub heights of 80, 100 and 120m. Additionally, a conclusion will be made as to whether the concrete and hybrid towers are a viable alternative to steel towers at higher hub heights. To accomplish this, three of each type of tower (steel concrete and hybrid) and their foundations were designed according to the relevant design standards. The designs were then veri ed using the Abaqus nite element software. The costs of the designs for a South African environment were subsequently calculated according to the increases in material cost, as a function of the increase in hub height. It was found that for the chosen design assumptions, the foundations for the concrete and hybrid towers are less material intensive, and therefore cheaper, than the steel towers. The material costs of the concrete and hybrid towers were also shown to be lower than the material costs of the steel towers, especially at hub heights of 100 to 120m. For the circumstances in this project, it was found that an increase in hub height causes an increase in energy generation of 3.52 and 6.28 percent for 80m to 100m and 80m to 120m hub heights, respectively. It is therefore deduced that, given the trends in the design and cost associated with increasing hub heights, the concrete and hybrid towers become viable alternatives to the conventional steel towers at hub heights of 100 to 120m in height. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie projek is om die strukturele ontwerp en koste van verskillende soorte ho e wind turbines en die toepaslike fondamente vir 'n Suid-Afrikaanse konteks te bestudeer. Spesi eke riglyne word voorgestel vir die ontwerp van silindervormige staal, beton en beton-staal hibriede torings en fondamente vir naafhoogte van 80, 100 en 120m. 'n Gevolgtrekking oor die lewensvatbaarheid van die beton en hibriede torings, in vergelyking met die gewone staal torings teen naafhoogte van 100 tot 120m sal ook gemaak word. Met die bogenoemde as doel, is drie van elke tipe toring (staal, beton en hibried) en hul fondamente volgens die toepaslike standaarde ontwerp. Daarna is die integriteit van die ontwerpe getoets en bevestig deur gebruik van die Abaqus eindige-element-metode sagteware. Ten slotte, die kostes van die ontwerpe vir 'n Suid Afrikaanse omgewing is bereken en die verandering in materiaalkoste uitgedruk as 'n funksie van die verhoging in naafhoogte. Daar is gevind dat, vir die aannames in die ontwerp, die fondamente van die beton en hybrid torings minder materiaal benodig, en dus goedkoper is as die staal torings. Verder, is die materiaalkoste van die beton en hibriede torings laer as die van die staal torings, veral vir naafhoogtes van 100 tot 120m. Verder, is daar vir die omstandighede in hierdie projek gevind dat ho er naafhoogtes stygings in energie-opwekking van 3.52 persent vir naafhoogte stygings van 80m tot 100m, en stygings van 6.28 persent vir naafhoogte stygings van 80m tot 120m lewer. Daar word dus tot die gevolgtrekking gekom dat, gegewe die tendense in die ontwerp en materiaal koste wat verband hou met die verhoging van die naafhoogte, die beton en hibriede torings 'n lewensvatbare alternatief vir die konvensionele staal torings vir naafhoogtes van 100 tot 120m word.

This study presents a numerical investigation of a generic horizontal axis cross-flow marine turbine. The numerical tool used is the commercial Computational Fluid Dynamics package ANSYS FLUENT 12.0. The numerical model, using the SST k-w turbulence model, is validated against static, dynamic pitching blade and rotating turbine data. The work embodies two main investigations. The first is concerned with the influence of turbine solidity (ratio of net blade chord to circumference) on turbine performance, and the second with the influence of blockage (ratio of device frontal area to channel crosssection area) and free surface deformation on the hydrodynamics of energy extraction in a constrained channel. Turbine solidity was investigated by simulating flows through two-, three- and four-bladed turbines, resulting in solidities of 0.019, 0.029 and 0.038, respectively. The investigation was conducted for two Reynolds numbers, Re = O(10^5) & O(10^6), to reflect laboratory and field scales. Increasing the number of blades from two to four led to an increase in the maximum power coefficient from 0.43 to 0.53 for the lower Re and from 0.49 to 0.56 for the higher Re computations. Furthermore, the power curve was found to shift to a lower range of tip speed ratios when increasing solidity. The effects of flow confinement and free surface deformation were investigated by simulating flows through a three-bladed turbine with solidity 0.125 at Re = O(10^6) for channels that resulted in cross-stream blockages of 12.5% to 50%. Increasing the blockage led to a substantial increase in the power and basin efficiency; when approximating the free surface as a rigid lid, the highest power coefficient and basin efficiency computed were 1.18 and 0.54, respectively. Comparisons between the corresponding rigid lid and free surface simulations, where Froude number, Fr = 0.082, rendered similar results at the lower blockages, but at the highest blockage an increase in power and basin efficiency of up to 7% for the free surface simulations over that achieved with a rigid lid boundary condition. For the free surface simulations with Fr = 0.082, the energy extraction resulted in a drop in water depth of up to 0.7%. An increase in Fr from 0.082 to 0.131 resulted in an increase maximum power of 3%, but a drop in basin efficiency of 21%.

L’énergie hydraulique, où l’énergie cinétique de l’eau est transformée en énergie électrique, représente une contribution importante aux énergies renouvelables. L’eau qui passe par les turbines hydrauliques contient toujours une partie solide, par exemple du sable et de l’argile. Ces sédiments peuvent atteindre des niveaux de concentration élevés, ce qui nuit considérablement à la structure de la turbine par un mécanisme d’endommagement appelé érosion hydro-abrasive. Des types de turbine impliquant des vitesses d’écoulement très élevées, comme les turbines Pelton, sont particulièrement sensibles à l’érosion hydro-abrasive. Les simulations numériques présentent un moyen efficace d’étudier le sujet de l’érosion hydro-abrasive dans les turbines Pelton car elles permettent facilement la variation des nombreux paramètres. Ainsi, une réponse immédiate aux questions opérationnelles, de conception ou d’optimisation peut être obtenue. Cependant, il a été démontré que l’application des modèles d’érosion généraux et souvent utilisés ne fournit pas de résultats corrects en raison des propriétés particulières du matériel et de l’écoulement des turbines Pelton. Par conséquent, ce travail étudie le potentiel de la modélisation de l’érosion directe basée sur des principes fondamentaux. Cela implique que le mouvement des sédiments dans le fluide est simulé, leurs paramètres au moment de l’impact enregistrés et ensuite l’endommagement macroscopique global du matériel calculé sur la base des simulations de structure en microéchelle. Une formulation très appropriée pour les simulations fluides dans les turbines Pelton est une méthode sans maillage, plutôt nouvelle, qui s’appelle Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Par conséquent, la première partie de ce travail aborde la mise en oeuvre et l’évaluation d’un modèle Lagrangien de transport des sédiments dans le cadre de cette méthode où les sédiments sont transportés par une équation de mouvement. L’effet du bruit inhérent à la méthode SPH sur le mouvement des sédiments est évalué par rapport à l’effet de la dispersion turbulente des sédiments, qui a été introduite par un modèle basé sur l’équation de Langevin. En outre, les termes liés aux différentes forces dans l’équation du mouvement sont étudiés dans le cadre de la méthode SPH. Une deuxième partie de ce travail développe une approche efficace et généralement applicable pour obtenir l’endommagement globale sans adopter des modèles d’érosion. Pour obtenir cet endommagement global en macroéchelle, l’endommagement causé par un seul impact de sédiment, qui est calculé par des simulations de structure en microéchelle, est combiné avec les statistiques d’impact des simulations du fluide. / Hydraulic energy represents one important contribution to the growing source of renewable energies where the kinetic energy of water is transformed into electric energy. The water flowing through the hydraulic turbines always contains a solid part, for example sand and clay. Those sediments can reach high concentrations, harming importantly the turbine structure by a mechanism called hydro-abrasive erosion. Turbine types implying very high flow velocities, like Pelton turbines, are in particular sensitive to hydro-abrasive erosion. Numerical simulations present an efficient way to study the topic of hydro-abrasive erosion in Pelton turbines as they allow the variation of numerous parameters. Thus an immediate response to operational, design or optimization questions can be obtained. However it has been shown that the application of general, widely used erosion models do not deliver physical correct results due to the particular material and flow properties of Pelton turbines. Consequently this work investigates the potential of erosion modeling based on first principals. That means the sediment movement in the fluid is simulated, their state at impact tracked and then the overall macroscopic material damage calculated based on microscale structural simulations. A convenient formulation for fluid simulations in Pelton turbines is the rather novel, meshless method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Therefore the first part of this work addresses the implementation and evaluation of a Lagrangian sediment transport model in the framework of this method where sediments are transported by a particle equation of motion. The effect of the SPH method inherent noise on the sediment movement is evaluated against the effect of the turbulent dispersion of the sediments, which has been introduced via an ad-hoc model based on the Langevin equation. Furthermore the different force terms in the particle equation of motion are investigated with respect to the SPH method. A second part develops an efficient and general applicable approach to obtain the overall erosion damage without adopting erosion models. Therefore the damage caused by a single sediment impact is calculated by structural simulations on the microscale in a first step. In a second step that isolated damage is combined with impact statistics from the fluid simulations and hence gives the overall damage profile on the macroscale.

A computational tool has been developed by integrating National Renewable Energy Laboratory (NREL) codes, Sandia National Laboratories' NuMAD, and ANSYS to investigate a horizontal axis composite ocean current turbine. The study focused on the design, analysis, and life prediction of composite blade considering random ocean current, cyclic rotation, and hurricane-driven ocean current. A structural model for a horizontal axis FAU research OCT blade was developed. Following NREL codes were used: PreCom, BModes, ModeShape, AeroDyn and FAST. PreComp was used to compute section properties of the OCT blade. BModes and ModeShape calculated the mode shapes of the blade. Hydrodynamic loading on the OCT blade was calculated by modifying the inputs to AeroDyn and FAST. These codes were then used to obtain the dynamic response of the blade, including blade tip displacement, normal force (FN) and tangential force (FT), flap and edge bending moment distribution with respect to blade rotation. / by Fang Zhou. / Thesis (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2013. / Includes bibliography. / Mode of access: World Wide Web. / System requirements: Adobe Reader.

This research focused on maximizing the power generated by an array of ocean current turbines. To achieve this objective, the produced shaft power of an ocean current turbine (OCT) has been quantified using CFD without adding a duct, as well as over a range of duct geometries. For an upstream duct, having a diameter 1.6 times the rotor diameter, the power increased by 8.35% for a duct that extends 1 diameter upstream. This research also focused on turbine array optimization, providing a mathematical basis for calculating the water velocity within an array of OCTs. After developing this wake model, it was validated using experimental data. As the downstream distance behind the turbine increases, the analytic results become closer to the experimental results, with a difference of 3% for TI = 3% and difference of 4% for TI = 15%, both at a downstream distance of 4 rotor diameters. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2018. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

The study addresses the coating selection for a proposed placement of a hydroturbine into the Gulf Stream. The turbine will generate energy in a similar manner to a wind turbine. The effects of biofouling and corrosion in the current project are assessed. A review of different types of traditional paint coatings is given, as well as the option for a copper-nickel alloy. Testing that should be undertaken for the coating selection is described in detail. Coating considerations are offered and discussed. Design considerations and modifications are also offered. / by Andrew Spicer Bak. / Vita. / Thesis (M.S.C.S.)--Florida Atlantic University, 2009. / Includes bibliography. / Electronic reproduction. Boca Raton, Fla., 2009. Mode of access: World Wide Web.

by Shaun Hurley. / Thesis (M.S.C.S.)--Florida Atlantic University, 2011. / Includes bibliography. / Electronic reproduction. Boca Raton, Fla., 2011. Mode of access: World Wide Web. / The study presents a reliability-based fatigue life prediction model for the ocean current turbine rotor blades. The numerically simulated bending moment ranges based on the measured current velocities off the Southeast coast line of Florida over a one month period are used to reflect the short-term distribution of the bending moment ranges for an idealized marine current turbine rotor blade. The 2-parameter Weibull distribution is used to fit the short-term distribution and then used to obtain the long-term distribution over the design life. The long-term distribution is then used to determine the number of cycles for any given bending moment range. The published laboratory test data in the form of an ε-N curve is used in conjunction with the long-term distribution of the bending moment ranges in the prediction of the fatigue failure of the rotor blade using Miner's rule. The first-order reliability method is used in order to determine the reliability index for a given section modulus over a given design life. The results of reliability analysis are then used to calibrate the partial safety factors for load and resistance.