Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente l'étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d’une roue de turbine de type bulbe. Pour ce faire, deux campagnes de mesures ont été réalisées. La première a fait usage de l’anémométrie laser à effet Doppler (LDV). La seconde campagne a fait appel à l’anémométrie par image de particules (PIV) et à un montage stéréoscopique endoscopique conçu sur mesure pour atteindre la région ciblée. Les données recueillies permettent de caractériser plusieurs phénomènes. L’importance du sillage des directrices entre les aubes de la roue est mise en évidence par les deux techniques de mesure. La campagne de mesure par LDV permet plus spécifiquement de cibler les tourbillons de jeu de bout d’aube et d’identifier des débalancements fixe et rotatif. En complément, les mesures par PIV révèlent la présence d’un tourbillon qui provient du bord d’attaque près du moyeu lorsque la turbine opère à charge partielle. / This work presents the experimental study of the flow in the inter-blade channel of the runner of a bulb turbine. To do so, two measurement campaigns were carried out. The first used laser Doppler velocimetry (LDV). The second campaign used particle image velocimetry (PIV) and a custom designed stereoscopic endoscopic setup allowed reaching this otherwise difficult to access measurement plane. A comparison of the two sets of data collected indicates a good match over the entire area on which they overlap. The gathered data allows characterising many phenomena. The importance of the guide vanes wake on the runner flow is highlighted by both measurement techniques. The LDV measurement campaign allows characterizing the blade tip vortices and identifying fixed and rotary flow imbalances. In addition, the PIV measurements reveal the presence of a vortex that originates from the leading edge near the hub when the turbine operates at partial load.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Le présent mémoire a comme objectif principal de procéder à la simulation d'un aspirateur de turbine existant en utilisant le DES, soit une nouvelle approche de modélisation de la turbulence. Il est postulé que la meilleure représentation de l'écoulement instationnaire qui existe dans cette partie de la machine pourrait faire la lumière sur la discordance entre la courbe de rendement applatie mesurée en centrale et la courbe prédite par les simulations RANS. Afin de procéder à ces simulations avancées, l'approche DES est d'abord testée avec un cas d'écoulement tourbillonnant dans un diffuseur conique pour lequel des données expérimentales sont disponibles. Par la suite, le cas de l'aspirateur réel est traité et plusieurs comparaisons entre les approches RANS, URANS et DES sont dégagées. Les résultats démontrent l'importance d'établir une méthodologie rigoureuse pour appliquer l'approche DES à un écoulement tourbillonnant dans un diffuseur. Principalement, le phénomène néfaste propre au DES de la séparation induite par le maillage (GIS) se manifeste très facilement pour ce type d'écoulement. Il est montré que les modèles qui protègent la couche limite, nommément les modèles DDES SA et DDES SST, sont beaucoup plus polyvalents et mieux adaptés à ces écoulements. Aussi, l'analyse des conditions d'entrée a montré, tant pour le diffuseur que pour l'aspirateur, que le niveau de viscosité tourbillonnaire qui y est prescrit doit être significativement plus faible que celui imposé en RANS. Les résultats finaux montrent une claire supériorité de l'approche DDES sur l'approche URANS pour prédire les instationnarités présentes pour les cas étudiés. Plus particulièrement pour l'aspirateur, le DDES permet de faire une analyse du tourbillon de sortie de roue et de ses caractéristiques associées à la charge. Par rapport à la prédiction de la performance, l'utilisation du DDES ne modifie pas la forme de la courbe de rendement. Il semble que la prédiction de la performance de l'aspirateur soit majoritairement gouvernée par la modélisation RANS en proche paroi et que le plateau dans la courbe de rendement mesurée ne soit pas entièrement attribuable à un phénomène instationnaire prenant place au centre de l'aspirateur.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Le présent mémoire a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes de perte dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour ce faire, l’écoulement dans un aspirateur caractérisé par une diminution abrupte du coefficient de récupération près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Une méthode avancée de modélisation de la turbulence, le DES, a été mise à l’essai, afin de déterminer les gains associés à une représentation plus fine des mouvements turbulents dans cette composante. Les requis méthodologiques liés à cette approche, notamment par rapport à la condition d’entrée, ont été explorés, dans le but de développer une meilleure expertise d’utilisation du DES. Il a été démontré que le profil de vitesse radiale imposé dans le plan d’entrée du domaine de calcul altère de façon significative l’écoulement en aval et les performances prédites. Avec le profil de vitesse radiale mesuré expérimentalement, l’allure de la courbe de performance de l’aspirateur a pu être assez bien reproduite avec l’approche de modélisation de la turbulence URANS. Toutefois, certains aspects des simulations ne concordent pas bien avec les mesures expérimentales, c’est notamment le cas de l’écart de débit entre les deux canaux de sortie. Il a été établi que les structures d’écoulement en rotation sous les aubes de la roue nécessitent une discrétisation spatiale et temporelle extrêmement fine pour éviter qu’elles se diffusent prématurément sous le plan d’entrée. Toutefois, au point d’opération considéré, leur influence sur les performances de l’aspirateur s’est avérée très faible. Les simulations DES et URANS de l’aspirateur où des conditions d’entrée axisymétriques ont été imposées ont prédit des performances similaires. Cependant, le DES permet de simuler une dynamique tourbillonnaire beaucoup plus riche, avec un maillage et un pas de temps similaire au URANS, tout en étant largement moins dépendant des quantités turbulentes modélisées imposées dans le plan d’entrée. / The work carried throughout this thesis has for objective to enhance losses predictions in hydraulic turbines draft tube. In order to acheive this, the flow in a draft tube charaterized by a sharp drop in the pressure recovery coefficient near the best efficiency point was studied. Detached Eddy Simulation (DES), an advanced turbulence modeling approach, was put to the test, in order to asses the gain attributable to a finer and more precise description of turbulent motions in this component. The numerical methods required associated to this approach, especially regarding the inlet boundary condition, were investigated. It was shown that the radial velocity profile specified at the inlet of the computational domain alters significantly the flow downstream and the predicted performance. With the measured radial velocity profile specified at the inlet of the draft tube, reasonnable agreement was found between URANS numerical results and experimental measurements of pressure recovery. However, some aspects of the numerical simulations does not agree well with experimental data. It is the case for flow imbalance between the two outlet bays. It was established that rotating flow structures underneath the runner blades require extremely fine grid and time step resolution to avoid their premature diffusion underneath the inlet plane. Nevertheless, at the studied operating point, their influence on draft tube performance was found to be very limited. DES and URANS simulations of the draft tube where axisymmetric inlet boundary conditions were imposed predicted similar pressure recovery. However, DES enables to simulate much more complex and rich turbulent motions, at a computational cost similar to the one of a URANS simulatation and with much less influence from the modeled turbulent quantities specified at the inlet plane.

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence. / This thesis presents an experimental investigation of flow separation inside the diffuser of a small scale model of a bulb turbine. The flow separation occurs when the turbine is operated at high discharge and it reduces the diffuser effective area. In the case of bulb turbines, the kinetic energy recovered by the diffuser represents an important part of the total net head available for the runner energy extraction. The decrease of the diffuser efficiency leads to a sudden drop in the turbine efficiency and in the power extraction. The small scale model is faithful to modern turbines with a particularly divergent diffuser. The turbine performances are measured in a large range of operating conditions in order to select the most interesting ones and to investigate the parametric range of the phenomena. The pressure is measured along the diffuser by flush mounted dynamic sensors while the velocity fields inside the separation zone are obtained by a two-component PIV method. Separation observations on the wall are done using tufts. For a sufficient flow rate, the adverse pressure gradient induced by the diffuser geometry sufficiently weakens the boundary layer, thus leading to fluid ejection from the wall along a large three-dimensional envelope. The three-dimensional unsteady flow separation zone is located in the same area independently of the operating points. The flow rate increase leads to a wider separation zone occurring more frequently. The separation front fluctuates significantly both in location and in shape with no periodicity. Topological and vortex analyses on instantaneous velocity fields show a complex separation front topology which differs greatly from one realisation to another. Despite the highly turbulent flow, the separation front vortices are definitely bigger and more intense than turbulent vortices. It suggests that the roll-up mechanisms leading to separation surface vortices appear to be distinct from those of turbulent vortices.

La conductivité hydraulique du till de fondation du barrage Sartigan, situé à St-Georges de Beauce, sur la rivière Chaudière dans la province de Québec, a été étudiée sur le terrain et en laboratoire. Les modèles semi-théoriques de prédiction de la conductivité hydraulique des sols ont été analysés. Les valeurs obtenues se situent entre 8 × 10-9 et 1 × 10-10 m/s. Les essais de perméabilité en laboratoire ont été réalisés sur des échantillons carottés et reconstitués. Les valeurs de conductivité hydraulique se situent entre 2 × 10-9 et 2 × 10-10 m/s. Les résultats obtenus en laboratoires concordent avec ceux obtenus sur le terrain et les prédictions des valeurs de conductivité hydraulique provenant de l’équation de Chapuis et Aubertin (2003) s’accordent avec celle obtenues en laboratoire. De plus, cette étude montre que la technique d’échantillonnage du till de fondation du barrage Sartigan permet d’obtenir des échantillons de bonne qualité.

Dans ce mémoire est présentée l'étude expérimentale de l'écoulement dans une roue de turbine axiale de type hélice. Les performances de ces machines étant grandement influencées par le comportement de l'écoulement dans cette partie de la turbine, il est donc important de bien connaître les phénomènes hydrauliques qui y sont présents. Au cours de ce projet, afin de réaliser une campagne de mesures un système PIV stéréoscopique a été utilisé. La configuration du montage expérimental, la technique d'acquisition utilisée ainsi que les méthodes de traitement de données employées ont permis d'analyser l'écoulement moyen dans une section couvrant environs 20% de l'envergure d'un canal délimité par deux aubes consécutives de la roue. Les résultats ont permis d'analyser la relation entre les différentes composantes de la vitesse de l'écoulement, et ce, pour plusieurs points d'opération. De plus, deux écoulements secondaires qui ont été répertoriés dans la littérature ont été identifiés à l'intérieur de la zone de mesure. Le premier de ceux-ci est le tourbillon de coin de bord d'attaque qui est le plus intense des deux, et le second est le tourbillon relatif. Une comparaison entre les mesures expérimentales ainsi que des résultats issus de simulations numériques a aussi été réalisé, exhibant une bonne concordance entre les deux jeux de données, principalement au point de fonctionnement nominal.

Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Ce mémoire vise à identifier et caractériser les phénomènes d'écoulement dans le cône de la turbine modèle à moyenne chute opérée en marche à vide à la vitesse de synchronisation et installée au laboratoire Heki de l'Université Laval. Avec peu de recherches réalisées sur le régime en marche à vide et des machines fonctionnant de plus en plus dans ce régime, le mémoire aidera l'industrie à comprendre par quels mécanismes la machine est endommagée par le régime en marche à vide. Les mesures expérimentales ont utilisé la vélocimétrie par image de particules stéréoscopique dans un plan radial-axial du diffuseur conique. Les mesures étaient calées sur la position de la roue de turbine de façon verrouillé en phase). Cette méthode de mesure a été appliquée à deux hauteurs dans le diffuseur conique pour couvrir la majeure partie de sa hauteur. Les phases mesurées sont équidistantes d'un intervalle de 6° et couvrent 360°. Pour la section de mesure supérieure, une résolution plus fine de 3° a été utilisée entre les phases 300° et 360°. La structure d'écoulement globale discutée dans la littérature s'est avérée présente dans le modèle étudié et a été mis en évidence. Un débit à haute vitesse avec une grande vitesse tangentielle et axiale a été mesurée près de la paroi interne du cône. Une zone de recirculation avec des vitesses beaucoup plus faibles a été mesurée au centre du diffuseur. La couche de cisaillement mentionnée par quelques auteurs a été caractérisée par le calcul des composantes de cisaillement. L'écoulement s'est avéré ne pas être axisymétrique. Des traces de tourbillons inter-aubes dans le diffuseur conique ont été trouvées dans les mesures à moyenne de phase, comme cela avait été prédit par les simulations numériques. / This thesis aims to characterize the flow and identify flow phenomena in the draft tube of the Tr-Francis medium head model turbine operated at speed-no load and installed at the Heki laboratory at Laval University. With little research accomplished on the speed no-load regime and machines being operated increasingly in this regime, the thesis will help the industry understand by what mechanisms the machine is damaged by the no load regime. The experiments used stereoscopic particle image velocimetry in one radial-axial plane of the conical diffuser. The measurements were locked on the position of the turbine runner (phase-locked). This measurement method was applied at two heights in the conical diffuser to cover most of its height. The measured phases are equally spaced at an interval of 6° and cover 360°. For the upper measurement section, a finer resolution of 3° was used between phases 300° and 360°. The global flow structure discussed in the literature was found to be present in the studied model. A high velocity throughflow with a large tangential and axial velocity was measured near the diffuser's inner wall. A recirculation zone with much lower velocities was measured at the center of the diffuser. The shear layer mentioned by a few authors was characterised by calculating shear strain components. The flow was found not to be axisymmetric. Traces of inter-blade vortices in the draft tube were found in the phase-averaged measurements as was predicted by the numerical simulations.

Ce mémoire de maîtrise présente une étude préliminaire pour comprendre comment réaliser l'analyse modale d'une turbine hydraulique de type Francis. Au cours du projet Tr-Francis, il est prévue de réaliser des mesures de déformations et de réaliser une analyse modale à l'aide de jauges de déformation collées sur la turbine lors de son fonctionnement. Pour ce faire, il est nécessaire de comprendre comment installer les jauges de dé- formation sur la turbine. Tout d'abord, des expérimentations ont été réalisées afin de comprendre les raisons pour lesquelles les jauges de déformation ne fonctionnent pas sous l'eau. Différentes technologies de jauges de déformation et différents produits de protections ont également été testés. Il est également nécessaire de comprendre comment réaliser une analyse modale à partir de mesures de jauges de déformation. Sumali à développée une nouvelle méthode d'analyse modale par mesure de déformation sur une poutre. A travers ce mémoire, cette méthode est étendue pour réaliser l'analyse modale d'un anneau. La méthode est tout d'abord prouvée mathématiquement puis à l'aide d'une simulation numérique. Finalement, en excitant un anneau instrumenté de jauges de déformations avec un marteau d'impact puis avec un piézo-actionneur, la fonctionnalité de la méthode est prouvée. / This Master's thesis presents a preliminary study to understand how to perform the modal analysis of a Francis hydraulic turbine. During the Tr-Francis project, it is planned to carry out deformation measurements and perform a modal analysis using strain gauges bonded to the turbine during its operation. It is then necessary to understand how to install the strain gauges on the runner. Experiments were conducted to understand why the strain gauges have a limited lifetime underwater. Different strain gauge technologies and different protection products have also been tested. It is also necessary to understand how to perform a modal analysis from strain gauge measurements. Sumali has developed a method to perform modal analysis using deformation measurement on a beam. Through this thesis, this method is extended to perform the modal analysis of a ring. The method is first developped and then validated using numerical simulations. The method is first proven mathematically and then using a numerical simulation. Finally, by exciting an instrumented ring of strain gauges with an impact hammer and then with a piezo-actuator, the functionality of the method is proven.

Cette thèse porte sur l'écoulement à l'intérieur d'une turbine de type Hélice. Deux méthodes de mesures ont été utilisées afin de remplir les objectifs de l'étude. La précision des instruments et l'incertitude des mesures effectuées à l'aide d'outils de vélocimétrie laser tels que la vélocimétrie Doppler laser (LDV) et la vélocimétrie par images de particules (PIV) ont été analysées. Trois phénomènes principaux sont étudiés à l'aide du LDV et du PIV. Le premier porte sur le débalancement circonférentiel de l'écoulement dans toute la machine. Le second porte sur les interactions rotor-stator se produisant entre les directrices et les aubes de la roue. Le troisième englobe les écoulements à l'entrée de l'aspirateur, le vortex à charge partielle (torche) et à forte charge ainsi que le sillage des directrices. Une attention particulière est portée sur les fréquences caractéristiques trouvées à l'aide des mesures LDV à cet endroit. Parallèlement aux mesures expérimentales, des simulations numériques ont été effectuées et comparées avec les données expérimentales disponibles. Cette comparaison permet d'améliorer les simulations numériques en posant différentes conditions limites et modèles de turbulence. Une meilleure utilisation et une amélioration des modèles RANS, URANS et LES avec l'utilisation de la base de données expérimentales est discutée dans l'étude. En conclusion à la recherche, le débalancement circonférentiel de l'écoulement est identifié avec les méthodes expérimentales et numériques. Le débalancement est de l'ordre de 10% de la vitesse de référence crête à crête aux avants directrices et est amorti à 5% à l'interface. Le débalancement maximal est de 12% à l'intérieur du cône divergent de l'aspirateur. L'intensité turbulente dans les canaux d'admission a été estimée à 8%. Les résultats expérimentaux ont démontré que les interactions rotor-stator sont faibles à l'intérieur de ce type de machine car il y a une dissipation rapide du sillage des directrices avant la roue. La torche à charge partielle et les recirculations se produisant dans l'aspirateur sont présentées avec leurs effets sur l'efficacité hydraulique et la configuration de l'écoulement. Plusieurs structures et vortex sont identifiés tels que le vortex se produisant dans l'espace en porte-à-faux des directrices, le vortex de bout d'aubes, la torche et les vortex contrarotatifs des canaux d'admission. Une base de donnée a été crée pour des recherches futures portant sur l'écoulement d'une turbine Hélice.

Le cadre juridique régissant les ressources hydrauliques partagées dans la région de l’Est Méditerranéen dite du Levant souffre d’insuffisances manifestes et semble inadapté à la réalisation de la tâche que ses géniteurs lui ont assigné. Produit essentiellement de conventions bilatérales dont les dispositions s’avèrent parfois contradictoires, il est le fruit d’un contexte politique tendu, sévissant depuis longtemps dans cette partie du monde au point d’en constituer le trait de marque et valorisant une logique de confrontation entre des volontés souveraines peu soucieuses des intérêts des Etats tiers. Il dénote ainsi fermement une absence de prise de conscience du caractère commun des ressources hydrauliques et la nécessité de leur partage au sein d’une communauté d’intérêts. Il se trouve, par ailleurs, en retrait des mutations que connaît dernièrement le droit international des ressources hydrauliques partagées tant superficielles que souterraines. Loin de respecter l’unité hydrologique du bassin du Jourdain, ses stipulations ne permettent pas de donner leur plein effet aux principes de l’utilisation équitable et non dommageable de ses eaux. Or, ces principes coutumiers, désormais codifiés, préconisent une gestion intégrée et globale desdites ressources qui peine toujours à se réaliser le cas échéant. Ils se trouvent d’autant plus dénaturés dans la mesure où leur champ d’application demeure restreint incluant certains Etats riverains à l’exclusion d’autres. Pourtant, l’eau au Levant, dont la situation précaire est évidente, peut se transformer d’un élément générateur de tensions récurrentes à un facteur déclencheur d’une dynamique de coopération sur une échelle régionale. Des impératifs divers y contribueront immanquablement. Cette démarche aura toutefois tout à gagner en empruntant aux dernières avancées du droit international en la matière les modalités et procédures qu’elles prescrivent. Cet apport serait le garant d’une coopération multifonctionnelle et institutionnalisée, s’inscrivant dans un corpus juridique cohérent et global et oeuvrant à l’affermissement d’une culture de la paix. / The current legal framework that dictates the water distribution in the Levant can be considered as inapt and insufficient in the way it overlooks the populations’ current needs. Negotiated upon through a series of bilateral conventions that favored the interests of some sovereign states at the expense of others, today’s legal framework is sustaining the long-standing political tensions in the region. In hindsight, it appears as though the bilateral conventions have shaped a status quo that failed to take into account the vital characteristic of the natural resource in question and its essential need to be shared and equitably distributed in an approach that subscribes within the common interest. Today, although the international water distribution practices witnessed significant evolution, the Levant region nevertheless still finds itself enacting an outdated framework, one that overlooks the hydrological unity of the Jordan Basin. In practice, the bilateral conventions led to a sectarian division of resources as opposed to a more balanced and fair regional one allowing a full implementation to the principles of equitable and non harmful use of international water. These customary principles, now codified, can’t fully be effective through this lacking and deficient legal framework. However, the Levant’s water resources can go from being the bearer of regional tension, to triggering a series of cooperative talks. With a high number of imperatives at stake it is only a matter of time until the regional players reconvene and adopt a more suitable and equitable distribution practice. Doing so would bring about new levels of institutionalized and cooperative practices, which would ultimately lead to a strong affirmation of peace in the region.