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.

Thèse doct.-ing--Paris VI, 1976. / Bibliogr. p. 69-93. Résumé en diverses langues.

Ce travail de maitrise s’inscrit dans le cadre des activités de recherche du Laboratoire de Machines Hydraulique de l’Université Laval et a pour objectif la caractérisation de l’écoulement dans le canal d’entrée d’un modèle de turbine hydraulique de type bulbe. La représentation des champs de vitesses moyennes et des fluctuations sous différentes conditions d’opérations ont été obtenues en utilisant un système de mesure LDV. Un débalancement du débit et des structures tourbillonnaires dans le canal d’entrée ont été mises en évidence. La conception d’une géométrie d’obstacle provoquant une non-uniformité dans le canal d’entrée a été développée en tenant compte des prédictions de simulations numériques. Des simulations numériques de la machine complète en régime stationnaire et instationnaire selon deux configurations géométriques ont été menées pour déterminer l’influence des conditions d’entrée de l’écoulement sur les performances de la machine. Des comparaisons entre les quantités expérimentales et numériques ont été réalisées. / This work is part of the research activities of the Hydraulic Machines Laboratory of the Laval University and its objective is to contribute to the characterisation of the intake flow in a model of a bulb turbine. The representation of the mean velocity fields and the turbulent fluctuations under predefined operating conditions were obtained by the use of a LDV measurement system. Mass-flow imbalance and vortices in the intake channel were identified. The conception of an obstacle geometry causing a non-uniformity in the intake channel has been developed taking in consideration the predictions of numerical simulation. Numerical simulations of the complete machine for both steady and unsteady case were performed with and without obstacle in the intake channel. The objective of this process was to evaluate the influence of the intake flow condition on the turbine performances. Moreover, comparisons between experimental and numerical quantities were made.

Principalement, ce travail présente l'application d'observateurs non linéairespour la détection de fuites (uniques, séquentielles et simultanées) dans des canalisationssous pression. Les observateurs présentés ici ont été conçus à partir d'uneversion discrète des équations du coup de bélier, qui a été obtenue en utilisant laméthode des différences finies et en prenant comme alternative la méthode de collocationorthogonale. Les modèles discrets ainsi que certains observateurs ont étévalidés par une série d'expériences effectuées dans des canalisations d'essai. D'autrepart, une nouvelle version d'observateurs à grand gain pour des systèmes non uniformémentobservables a été développée. Elle a été utilisée pour la détection de fuitesainsi que pour la synchronisation de systèmes chaotiques avec des paramètres inconnus.Des résultats de convergence, expérimentaux et en simulation sont exposésdans ce mémoire.

Le renouvellement des formations mélangées repose essentiellement sur des dynamiques naturelles de régénération et une phase particulièrement critique dans ce processus est celle de l’ouverture du couvert. La banque de semis pré-existant sous couvert constitue un potentiel important pour la recomposition du futur peuplement et la connaissance de la réaction des différentes espèces constituant cette banque de semis à l’ouverture du couvert est importante. La création d’une trouée induit un changement rapide des conditions de croissance des semis (plus grande disponibilité en lumière et en eau, plus grand deficit de pression de vapeur d’eau…). Suite à l’ouverture de la canopée, l’augmentation de croissance des semis est souvent retardée de quelques mois à quelques années. Nous supposons que ce délai peut refléter le temps nécessaire à l’acclimatation des semis pré-existants exposé à un nouvel environnement lumineux. Quatre espèces tolérantes à l’ombre et constituant une banque de semis pré-existant sous couvert (le hêtre, l’érable sycomore, l’érable plane et l’érable champêtre) ont été étudiées. Durant 2 ans après l’ouverture du couvert, la réponse de croissance des semis est caractérisée et le délai avant la reprise de croissance est expliqué par une étude des composantes morphologiques et physiologiques de la croissance. Suite à l’ouverture du couvert, la mortalité des semis était faible. La croissance en diamètre augmentait dés la première année après la création de la trouée et l’augmentation de croissance en hauteur était retardée de un an. Hêtre et érable sycomore montraient une plasticité de réponse à l’ouverture du couvert avec des changements structuraux (augmentation de LMA) et dans l’architecture des semis. Le hêtre réagissait aussi en allouant plus de biomasse vers la croissance racinaire et cambiale, augmentant sa capacité d’alimenter en eau les feuilles. Néanmoins, l’augmentation d’assimilation foliaire restait limitée la première année après l’ouverture du couvert. Ceci pouvait être en partie attribué chez le hêtre à l’augmentation de la vulnérabilité à la cavitation. La deuxième année, l’acclimatation des semis était en grande partie réalisée pour le hêtre et l'érable sycomore, qui avaient repris une croissance en diamètre et en hauteur active. / Management of mixed forests relies mainly on natural regeneration dynamics and canopy opening is particularly critical during regeneration process. Acquiring knowledge about reactions of different tree species to opening is important as advanced understory sapling bank constitutes an important potential for future stand reconstitution. Gap creation induces rapid change in sapling growth conditions (larger light and soil water availability, higher vapour pressure deficit…). Growth of pre-existing seedlings is often delayed for a few months up to several years after a gap opening. We hypothesized that this delay might be ascribed to the time needed for acclimation of advanced sapling exposed to the new light environment. Four shade tolerant species (beech, sycamore maple, Norway maple and field maple) in advanced seedling banks were studied. For 2 years after canopy opening, the sapling growth response was caracterized and the growth delay was explain by an analysis of morphological and physiological components of growth. Following canopy opening, mortality was low and diameter growth increased from the first year onwards whereas height growth increase was delayed for one year. Beech and sycamore have shown plasticity of leaf structure (increase of LMA) and tree architecture as influenced by canopy opening. Beech reacted also by allocating more biomass to root and cambial growth increasing this capacity to supply water to leaves. Nevertheless leaf carbon assimilation did not increase much the first year. This may be due in part to increased vulnerability to cavitation in beech under gap. The second year after opening, beech and sycamore seedling acclimation was almost achieved, both species having now an active diameter and height growth.

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.

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.

Pour la réalisation d'aménagements hydrauliques des études géotechniques, hydrogéologiques ont été menées dans le Lauragais ( Aude) et Camargue. Dans le Lauragais une recherche de sites de barrages a été menée sur la versant sud de la Montagne Noire et d'autres sites.

Le traitement des sols aux liants hydrauliques (chaux, ciment...) est un procédé de plus en plus pratiqué par les entreprises du BTP en technique routière. Il améliore les propriétés géotechniques et mécaniques des sols dits " médiocres " in situ. Les guides techniques " Traitement des sols à la chaux et/ou aux liants hydrauliques " (SETRA-LCPC, 2000 et 2007) présentent les méthodologies d'études géotechniques en laboratoire et in situ afin d'atteindre les performances requises. Cependant, l'analyse du retour d'expérience montre un certain nombre de perturbations du traitement. La présente thèse s'intéresse à : - la caractérisation physico-mécanique et physico-chimique de 3 sols types de la région Basse-Normandie avant et après un traitement mixte ; - la détermination de seuils de perturbations de la solidification dues à la présence des anions Cl-, SO42-, NO3-, PO43-dans le sol. Les concentrations seuil sont recherchées tant du point de vue des performances mécaniques que de la stabilité structurelle. A l'échelle microscopique, les perturbations sont étudiées à l'aide des analyses physico-chimiques et microstructurales des sols dopés. Il apparaît que les 4 anions présentent un potentiel de perturbation de la solidification dont l'expression diffère selon le sol, le traitement considéré, la forme chimique de l'anion, sa concentration, les conditions de cure et le type de sollicitation. Si l'introduction dans le sol d'un anion unique ne remet pas en cause une réutilisation du sol traité en techniques routières, les simulations d'interactions des anions révèlent des cas d'inaptitude fortement préjudiciables, dont le contrôle doit être poursuivi.

Les centrales hydrauliques de pompage turbinage fonctionnent principalement en utilisant des alternateurs de type synchrone évoluant à vitesse fixe. Cependant, utiliser des alternateurs à vitesse variable et, en particulier, des Machines Asynchrones à Double Alimentation (MADA) apporte des avantages non négligeables : contrôle de la puissance en mode pompe, opération au point de meilleur rendement en mode turbine et plus grande stabilité en cas de perturbation. Cette thèse a pour objectifs la progression des connaissances des phénomènes électromagnétiques régissant le fonctionnement de la MADA et d'établir une démarche en vue de son optimisation. Tout d'abord, un modèle analytique reposant en partie sur la méthode des intégrales de frontière est proposé et validé par simulations éléments finis. Ce modèle analytique prend en compte plusieurs éléments tels que la saturation du circuit magnétique, les harmoniques générés par les bobinages du stator et du rotor mais également les harmoniques dus à la forme non constante de l'entrefer. Ensuite, le modèle est appliqué à l'étude de quatre sujets d'importance pour l'ingénieur électricien : calcul des harmoniques de tension statorique à vide, calcul des pertes fer, calcul des harmoniques de couple et calcul des forces radiales électromagnétiques. Enfin une procédure de dimensionnement de la MADA reposant sur l'optimisation par algorithme génétique est décrite. Cette procédure est appliquée à la transformation d'une machine synchrone existante à pôles saillants en une MADA. Deux cas sont traités : dans un premier temps seul le rotor est remplacé tandis que le stator reste le même, dans un deuxième temps la machine est entièrement redimensionnée.