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.

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Les Latosols correspondent à environ 40% du Plateau Central brésilien. Ils sont caractérisés par une faible activité de l’argile, une faible différenciation de leurs horizons, une macrostructure peu développée et une microstructure en revanche très développée représentée par des microagrégats de 50 à 300 µm de diamètre. Dix Latosols (L) ont été sélectionnés le long d’une toposéquence régionale d’environ 350 km de long qui recoupe la Surface Sud Américaine (SAS) (L1 à L4) et la Surface Velhas (VS) (L5 à L10). Ces différents Latosols rendent compte de la variabilité de composition granulométrique et minéralogique, et de celle de matériau parental que l’on peut rencontrer dans le Plateau Central brésilien. Nos résultats montrent que la variabilité de proportion de gibbsite et de kaolinite peut s’expliquer à la fois par l’âge de la surface géomorphologique et les conditions hydriques en fonction de la position topographique au sein de chaque toposéquence. Les résultats montrent également que la structure microagrégée ne varie pas en fonction de la composition granulométrique ou minéralogique. Elle est apparue en revanche liée à la bioturbation du sol par les termites. Il a aussi été montré que les microagrégats des Latosols étudiés ne sont pas rigides mais diminuent de volume lors de la dessiccation. De plus, la composition minéralogique de la fraction argileuse ne jouerait qu’un rôle marginal dans les variations du volume poral lors de la dessiccation. Les microagrégats des Latosols situés sur la SAS diminuent moins de volume lors de la dessiccation que les microagrégats situés sur la VS, cette différence serait liée à leur histoire hydrique. Enfin, les propriétés de rétention en eau et la conductivité hydraulique à saturation varient respectivement en fonction de la teneur en argile et du développement des pores de diamètre supérieur à 300 µm, et par conséquent sans lien étroit avec la minéralogie de la fraction argileuse. / The Latosols correspond to about 40% of the Brazilian Central Plateau. They are characterized by low activity clay, little horizon differentiation, a weak macrostructure and a strong microgranular structure resulting in microaggregates 50 to 300 µm in size. Ten Latosols (L) were selected along a 350-km long regional toposequence across the South American Surface (SAS) (L1 to L4) and Velhas Surface (VS) (L5 to L10). The studied Latosols take into account the textural and mineralogical variability, as well as the topographical location and parental material variability. Our results showed a large variation of the kaolinite and gibbsite content in relation to a regional component attributed to the age of the geomorphic surface and a local component mainly related to the hydraulic conditions along the toposequence. The results showed also that the microgranular structure varied without any relationship with the texture and mineralogy of the fine material. It appeared as being mainly related to soil bioturbation by termites. The microaggregates of the Latosols studied are not rigid but shrink during drying with no relation with the mineralogy of the fine material. Our results showed that the microaggregates of the Latosols located on the SAS shrink less than those of the Latosols located on the VS. This would be related to a difference of hydric stress history. Finally, the water retention properties and saturated hydraulic conductivity varied according to the clay content and development of pores larger than 300 µm in diameter respectively without any apparent role of the mineralogy of the fine material.

Les Latosols correspondent à environ 40% du Plateau Central brésilien. Ils sont caractérisés par une faible activité de l'argile, une faible différenciation de leurs horizons, une macrostructure peu développée et une microstructure en revanche très développée représentée par des microagrégats de 50 à 300 µm de diamètre. Dix Latosols (L) ont été sélectionnés le long d'une toposéquence régionale d'environ 350 km de long qui recoupe la Surface Sud Américaine (SAS) (L1 à L4) et la Surface Velhas (VS) (L5 à L10). Ces différents Latosols rendent compte de la variabilité de composition granulométrique et minéralogique, et de celle de matériau parental que l'on peut rencontrer dans le Plateau Central brésilien. Nos résultats montrent que la variabilité de proportion de gibbsite et de kaolinite peut s'expliquer à la fois par l'âge de la surface géomorphologique et les conditions hydriques en fonction de la position topographique au sein de chaque toposéquence. Les résultats montrent également que la structure microagrégée ne varie pas en fonction de la composition granulométrique ou minéralogique. Elle est apparue en revanche liée à la bioturbation du sol par les termites. Il a aussi été montré que les microagrégats des Latosols étudiés ne sont pas rigides mais diminuent de volume lors de la dessiccation. De plus, la composition minéralogique de la fraction argileuse ne jouerait qu'un rôle marginal dans les variations du volume poral lors de la dessiccation. Les microagrégats des Latosols situés sur la SAS diminuent moins de volume lors de la dessiccation que les microagrégats situés sur la VS, cette différence serait liée à leur histoire hydrique. Enfin, les propriétés de rétention en eau et la conductivité hydraulique à saturation varient respectivement en fonction de la teneur en argile et du développement des pores de diamètre supérieur à 300 µm, et par conséquent sans lien étroit avec la minéralogie de la fraction argileuse.

Ce mémoire présente l’étude expérimentale de l’écoulement d’entrée d’un aspirateur d’une turbine bulbe présentant une chute abrupte de performance. Des mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) ont été réalisées sur deux axes soit en aval des pales de la roue et en aval du moyeu de la roue. Une particularité de cette étude est la conception d’un montage permettant de mesurer la vitesse axiale proche de la paroi du cône. De plus, une méthode d’estimation de la vitesse radiale moyenne a été développée. Ces mesures ont permis de caractériser l’écoulement primaire et les écoulements secondaires et d’analyser leur évolution entre les deux axes. De plus, l’évolution de ces écoulements est analysée en fonction de la chute de performance de la turbine. Les principales particularités de l’écoulement sont la présence d’une recirculation sous le moyeu, d’une zone contrarotative, des sillages des directrices et des tourbillons de bout de pale. / This thesis presents the experimental study of the draft tube inflow of a bulb turbine with a steep drop in performance. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on two axes: downstream of the blades of the wheel and downstream of the wheel hub. A feature of this study is the design of a setup that allows the measurement of the axial velocity near the wall of the cone. In addition, a method of estimating the average radial velocity was developed. These measurements were used to characterize the primary flow and the secondary flows and analyze their evolution between the two axes. Moreover, the evolution of these flows is analyzed according to the turbine performance drop. The main features of the flow are the presence of recirculation downstream of the hub, a counter-rotating area, the guide vane wakes and of the blade tip vortices.

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.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Ce mémoire présente le développement, à l'aide de simulations numériques d'écoulement, d'une méthode de contrôle des tourbillons en colonne dans une turbine hydraulique axiale de vitesse spécifique élevée opérée en marche à vide. Les observations sur le développement des tourbillons en colonne ont été généralisées à la géométrie d'une turbine Francis de vitesse spécifique moyenne. La roue, qui en raison de son emplacement et de sa géométrie vient interagir avec les tourbillons en colonne, a été retirée de la simulation instationnaire. La zone de recirculation obtenue sans la roue est pratiquement inchangée et des tourbillons en colonne ont été observés. Cela suggère que les tourbillons en colonne dans les turbines axiales et les tourbillons inter-aubes dans les turbines Francis sont liés à la même instabilité hydrodynamique. Selon la géométrie et les paramètres d'opération, différents modes de l'instabilité seraient excités. L'existence des tourbillons en colonne ne semble donc pas sensible à la forme du canal méridien, mais plutôt à la quantité de swirl injectée. Pour contrôler les tourbillons en colonne, le swirl injecté dans la roue est réduit en augmentant l'angle d'ouverture des directrices. Deux mécanismes générant des pertes de charge supplémentaires dans l'écoulement ont été développés pour recréer les conditions d'opération en marche à vide à grande ouverture des directrices. Les mécanismes, similaires à des volets sur des ailes d'avion, sont installés sur les directrices. Des simulations numériques instationnaires SAS-SST ont montré que les deux mécanismes ont permis d'éliminer les tourbillons en colonne dans l'entrefer et dans la roue. Au lieu de cela, six tourbillons inter-aubes co-rotatifs ont été obtenus dans la roue. Aucune structure dommageable n'a été identifiée dans l'aspirateur. Les fluctuations de pression dans la roue et les fluctuations de couple sur les aubes ont été significativement réduites, prouvant ainsi la validité du concept de volets sur les directrices. / This thesis presents the development, using numerical flow simulations, of a mitigation method against columnar vortices in a high-specific-speed axial hydraulic turbine operated at speed-no-load. Observations regarding the development of columnar vortices were generalized to the geometry of a Francis turbine with a medium specific speed. The runner, due to its location and geometry, interacts with the columnar vortices. It was removed from the unsteady simulation. The backflow obtained without the runner is practically unaffected, and columnar vortices were observed in the meridional channel. This suggests that columnar vortices in axial turbines and inter-blade vortices in Francis turbines are linked to the same hydrodynamic instability. Depending on the geometry and operating parameters, different modes of instability would be excited. Therefore, the existence of columnar vortices does not seem to be sensitive to the shape of the meridional channel, but rather to the amount of swirl injected. To mitigate the columnar vortices, the swirl injected into the runner is reduced by increasing the guide vanes opening angle. Two mechanisms that generate additional pressure losses in the flow were developed to recreate the operating conditions at speed-no-load with a larger guide vane opening angle. The mechanisms, similar to spoilers on airplane wings, are installed on the guide vanes. Unsteady SAS-SST numerical simulations showed that the two mechanisms eliminated columnar vortices in the vaneless space and the runner. Instead, six co-rotating inter-blade vortices are obtained in the runner. No damaging structures were identified in the draft tube. The pressure fluctuations in the runner and the blade torque fluctuations were significantly reduced, thus proving the validity of the concept of spoilers on the guide vanes.

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.

La mesure des vibrations de la roue d'une turbine hydraulique en opération demeure encore aujourd'hui un dé, particulièrement à l'échelle modèle. L'installation d'appareils de mesure(jauges de contrainte et accéléromètres) sur la roue en rotation a un effet non négligeable sur l 'écoulement du fluide et affecte le comportement structural de la roue (masse ajoutée). Face à ce problème, l'utilisation d'appareils de mesure sans contact localisés sur le repère fixe est une solution intéressante pour mesurer les vibrations d'une structure en rotation. Ce mémoire de maîtrise présente une étude sur l'utilisation de sondes à courant de Foucault localisées sur le repère fixe pour mesurer les vibrations au niveau de la ceinture d'une roue de type Francis en opération. D'abord, une méthode de mesure est développée an d'éliminer le dédoublement des résonances présent dans la réponse en fréquence des mesures de vibrations d'une structure en rotation prises à partir du repère xe. Une validation numérique de cette méthode démontre qu'il est possible de réaliser l'analyse modale de la structure en rotation. Par la suite, un montage expérimental est conçu pour mesurer les vibrations d'un anneau en rotation et immergé sous l'eau an d'appliquer la méthode proposée. Finalement, une campagne de mesures préliminaires est réalisée avec le montage expérimental an de tester les sondes à courant de Foucault pour mesurer les vibrations dans des conditions opératoires similaires à celles retrouvées dans les turbines hydrauliques. Ces mesures préliminaires permettent également d'observer le comportement du montage conçu sur les mesures vibratoires de l'anneau. / The vibrations measurement of hydraulic turbine runners in operation is still actually a challenge, especially at the model scale. It is possible to x sensors on the rotating part likes train gauges and accelerometers, but these sensors have a significant effect on the structural behavior of the runner (added mass) and on the hydraulic ow. To deal with this issue, the usage of a non-contact measuring devices located on the non-rotating frame is an interesting solution to measure the vibrations of a rotating structure. This Master's thesis presents the study of the use of eddy current sensors located on the fixed frame to measure the vibrations of an operating Francis runner's band. First, a measurement method is developed to eliminate the duplication of resonances in the frequency response of the vibration measurements of a rotating structure taken from the non-rotating frame. A numerical simulation of this method shows that it is possible to perform the modal analysis of the rotating structure. Subsequently,an experimental bench test is designed to measure the vibrations of a submerged rotating ring in order to apply the proposed method. Finally, a set of preliminary measurements is achieved with the experimental bench to test the eddy current sensors to measure the vibrations under similar operating conditions that can be found in the hydraulic turbines. These preliminary measurements allow us to observe the behavior of the bench test on the vibration measurements of the ring.

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.