Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Titre de l'écran-titre (visionné le 13 décembre 2023) / Bien que l'hydroélectricité ne soit pas une technologie récente, elle constitue une source d'énergie verte dont l'utilisation est appelée à croître dans les décennies à venir. La flexibilité de production des turbines hydrauliques permet d'équilibrer la puissance fournie au réseau avec la demande en électricité. Leurs paramètres d'opération sont adaptés continuellement afin d'assurer cet équilibre. Lorsqu'une production plus importante est requise, le passage d'un débit d'eau supérieur dans les turbines permet typiquement d'augmenter la puissance qu'elles fournissent. Passé un certain point, le rendement des turbines diminue, et l'augmentation du débit ne se traduit plus par une augmentation de puissance aussi importante. Il s'agit d'un comportement normal qui est une conséquence de la dynamique de l'écoulement dans leurs composantes. Toutefois, certaines turbines présentent plutôt une chute de rendement hydraulique importante et soudaine près de leur point de meilleur rendement. Celle-ci corrèle avec l'apparition de décollements de la couche limite dans leur aspirateur, une composante située à l'aval de la roue. Ces baisses d'efficacité réduisent leur flexibilité d'opération et peuvent aussi, dans certains cas, résulter en une baisse de la puissance fournie au réseau. Cette thèse vise à étudier les mécanismes menant à l'apparition des décollements, dont la compréhension ouvrirait la voie à l'implantation de correctifs et à l'amélioration des outils et pratiques de conception. L'étude est basée sur l'analyse expérimentale des champs de vitesse et de pression dans l'aspirateur d'une turbine bulbe modèle. Suivant l'hypothèse d'une interaction entre les séparations de la couche limite et une instabilité de l'écoulement dans le sillage de la roue, des mesures vélocimétriques par imagerie de particules résolues dans le temps (TR-PIV) ont été effectuées au centre de l'aspirateur afin d'explorer la dynamique de l'écoulement dans cette région et ses relations avec la chute de rendement. Ces mesures ont permis d'identifier une structure cohérente qui évolue dans le sillage ainsi que des séparations survenant à l'amont de l'aspirateur n'ayant pas été détectées lors des campagnes de mesure antérieures. Il est démontré que ces séparations ne sont pas présentes continuellement, et qu'elles surviennent et disparaissent sur des échelles de temps allant jusqu'à plusieurs centaines de tours de roue. Pour une condition d'opération unique, l'aspirateur peut donc tout aussi bien fonctionner efficacement que subir de larges décollements qui limitent sa performance. Ce constat supporte la multiplicité de solutions ayant été obtenues numériquement près du sommet de rendement. Des analyses par décomposition modale des champs de vitesse instantanés expliquent la présence de la structure cohérente par une instabilité de l'écoulement qui est amplifiée par la rotation de la roue. Le taux d'amplification de cette instabilité diminue significativement près du point où la chute de rendement survient, et il en résulte une transition dans la topologie de la structure. Ces observations expérimentales sont les premières à supporter la possibilité d'un changement dans l'état de stabilité de l'écoulement en lien avec la chute de rendement, tel que suggéré précédemment par des analyses de stabilité théoriques. Les analyses modales transitoires montrent par ailleurs des changements importants dans la dynamique du sillage lorsque certaines séparations se produisent. Sans l'exclure, ces résultats ne permettent toutefois pas de conclure à un lien de cause à effet direct entre la stabilité de la structure et les décollements de la couche limite. Les analyses du point de vue transitoire démontrent finalement que les décollements déjà observés à l'aval et au centre de l'aspirateur, ainsi que les larges séparations nouvellement identifiées à l'amont, sont de natures distinctes. Alors que les séparations à l'aval sont présentes dès le sommet de rendement, celles survenant près de la roue à l'amont gagnent davantage en importance avec l'augmentation du débit et deviennent rapidement le facteur contributif le plus important à la chute de rendement. / Although hydroelectricity is not a recent technology, it constitutes a source of green energy whose use is set to grow in the decades to come. The production flexibility offered by hydraulic turbines makes it possible to balance the power supplied to the grid with the electrical demand. Their operating parameters are continuously adapted to ensure this balance. When higher production is required, increasing the water flow rate through the turbines typically makes it possible to increase the power they provide. After a certain point, the turbines' efficiency decreases, and further increasing the flow rate no longer translates into a significant gain in power. This behavior is expected and is a consequence of the flow dynamics in their components. However, some turbines exhibit an important and sudden hydraulic efficiency drop near their best efficiency point which correlates with the onset of boundary layer separation in their draft tube, a component located downstream of the runner. These efficiency drops reduce the flexibility of operation and can also, in some cases, result in a drop in the power supplied to the electrical grid. This thesis aims to study the mechanisms leading to the appearance of these flow separations, the understanding of which would pave the way for the implementation of mitigation mechanisms and the improvement of design tools and practices. The study is based on the experimental analysis of velocity and pressure fields in the draft tube of a model bulb turbine. Following the hypothesis of an interaction between the flow separations and an instability in the wake of the runner, time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements were carried out at the center of the draft tube to explore the flow dynamics in this region and their relationship with the efficiency drop. These measurements made it possible to identify a coherent structure located in the wake as well as separations occurring in the upstream part of the draft tube which had not been detected during previous measurement campaigns. It is shown that these separations are not continuously present and that they appear and disappear over time scales of up to several hundred runner revolutions. For a given operating condition, the draft tube may therefore operate efficiently as well as undergo large flow separations, limiting its performance. This observation supports the multiple solutions that have been obtained numerically around the best efficiency point. Using modal decompositions of the instantaneous velocity fields, the presence of the coherent structure is explained by an instability of the flow which is amplified by the rotation of the runner. The amplification rate of this instability decreases significantly near the point where the efficiency drop occurs, resulting in a transition in the topology of the structure. These experimental observations are the first to support the possibility of a change in the stability of the flow related to the efficiency drop, as suggested previously by theoretical stability analyses. Transient modal analyses also show a significant change in the wake dynamics when certain separations occur. Without excluding it, these results do not, however, allow concluding that there is a direct causal relationship between the stability of the structure and the flow separations. Finally, the analyses from the transient point of view demonstrate that the separations that were previously observed in the downstream part and near the center of the draft tube, as well as the large separations newly identified upstream, are of distinct natures. While downstream separations are already present at peak efficiency, those occurring upstream, near the runner, gain more importance as the flow rate is increased and rapidly become the most significant contributing factor to the efficiency drop.

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Cette thèse porte sur les turbines hydrauliques de type Francis à échelle modèle opérées en condition sans-charge. En opération sans-charge, aucune énergie n'est produite par le générateur et ce dernier ne restreint plus la vitesse de rotation de la roue. Même si les conditions sans-charge sont critiques pour la sécurité et la durée de vie des machines, elles sont, à ce jour, très peu comprises. Actuellement, il n'y a aucune vue d'ensemble des différentes conditions sans-charge. Cette thèse vise donc à identifier, décrire et classer les différentes caractéristiques des régimes sans-charges au niveau du débit, de la vitesse de rotation de la roue et de la topologie de l'écoulement. Cet objectif global se divise en quatre sous objectifs : • Trouver le meilleur paramètre adimensionnel pour définir les conditions sans charge. • Décrire les conditions d'opération le long de la courbe sans-charge en utilisant le débit et la vitesse de rotation de la roue sous une énergie spécifique donnée. • Classifier les conditions sans-charge suivant les différentes topologies de l'écoulement. • Étudier le lien entre le niveau de cavitation et la condition d'opération sans-charge. Ce projet de recherche est basé principalement sur des mesures expérimentales, des visualisations de l'écoulement sous la roue et des simulations numériques. Les mesures expérimentales le long de courbes sans-charge sous différents niveaux de cavitation ont été réalisées chez Andritz Hydro Canada sur des turbines Francis couvrant une vaste gamme de vitesse spécifique. Des simulations numériques ont aussi été réalisées lors de deux différentes conditions sans-charge pour une turbine Francis de basse vitesse spécifique. Les instabilités se développant dans les turbines hydrauliques sont souvent caractérisées suivant le niveau de rotation dans l'écoulement, appelé communément « swirl ». Cette thèse démontre que l'« angular momentum parameter », appelé RCᵤ₁₁, est le paramètre adimensionnel le plus apte à quantifier le niveau de rotation de l'écoulement et à caractériser l'écoulement des régimes sans-charge. À l'aide des triangles de vitesse théoriques en sortie des directrices, il a été possible de développer une équation semi-analytique permettant d'estimer RCᵤ₁₁ à l'entrée et à la sortie de la roue le long de la courbe d'emballement. L'analyse des données expérimentales a permis de déterminer que la vitesse de rotation de la roue, la topologie de l'écoulement sous la roue et la sensibilité du point d'opération sans-charge à la cavitation dépendent toutes de la quantité de moment cinétique en entrée et en sortie de roue. La rotation de l'écoulement en sans-charge atteint les mêmes niveaux que ceux rencontrés lors de l'opération régulière, plus précisément à charge partielle ou à très faible charge. Pour un même niveau de rotation de l'écoulement, le même type de phénomène hydraulique est rencontré sous la roue en opération sans-charge et en opération régulière. Comme pour l'opération régulière, il est possible de classer les phénomènes hydrauliques en régimes sans-charge en fonction du coefficient de débit Q$_\textup{nD}$ normalisé par rapport à sa valeur au point de meilleur rendement. Le coefficient de débit permet de quantifier le niveau de rotation de l'écoulement sous la roue à l'aide de valeurs faciles à mesurer sur un banc d'essai : le débit et la vitesse de rotation de la roue. La dépendance d'un point d'opération sans-charge à la présence de cavitation varie en fonction de la topologie de l'écoulement dans les canaux inter aubes de la roue. À l'aide de simulations numériques, la relation entre RCᵤ₁₁, le type d'écoulement dans la machine, le chargement sur les aubes et la position de la cavitation dans la roue ont été étudiés. Les simulations numériques ont démontré que le chargement sur les aubes est très différent entre des points d'opération sans-charge atteints à de petites ou à de grandes ouvertures de directrices. En sans-charge, les zones sur les aubes produisant un couple moteur, c'est-à-dire orienté dans la direction de la rotation de la roue, doivent être balancés par les régions produisant un couple de freinage, opposé à la rotation de la roue, pour atteindre une condition de couple nul. À petites ouvertures de directrices, près de la marche-à-vide, la position de la cavitation coïncide avec la zone où la majorité du couple de freinage est produit sur l'aube. La cavitation déséquilibre les moments sur les aubes et cause un changement de point d'opération. Les points d'opération sans charge à de petites ouvertures de directrices sont donc plus sensibles à la présence de cavitation. / This thesis concerns hydraulic turbines, more precisely, model Francis turbines operated at no-load condition. In no-load condition, the generator no longer produces electricity and does not restrain the runner rotation speed. Even though the no-load conditions are critical to the life expectancy of the turbine, they have been poorly understood until now. There is no general understanding of the general characteristics of no-load conditions. Thus, the main objective of this thesis is to identify, describe and classify the different characteristics of no-load conditions concerning the discharge, the runner rotation speed and the flow topology. This main objective is divided into four sub-objectives: • Finding the best dimensionless parameter to define no-load conditions. • Describing the operating conditions along the no-load curve using the discharge and the runner speed under a given specific energy. • Classifying the no-load conditions based on the flow topologies. • Studying the link between the cavitation level and the different no-load conditions. This research project is mainly based on experimental measurements, flow visualizations under the runner and numerical simulations. Experimental measurements along no-load curves under different cavitation levels have been made at Andritz Hydro Canada on Francis turbines covering a wide range of specific speeds. Numerical simulations were also performed at two different no-load conditions for a low specific speed Francis turbine. The flow instabilities in hydraulic turbines are often linked to the level of flow rotation, called swirl. Many different dimensionless numbers may be used to quantify the swirl level. This thesis demonstrates with numerical simulations that the "angular momentum parameter", called RCᵤ₁₁, is the best parameter to characterize the flow at no-load. A semi-analytical equation estimating the variation of angular momentum at the runner inlet and outlet along a no-load curve was developed using velocity triangles at the guide vane outlet. point is possible. The discharge coefficient allows quantifying the swirl level with physical quantities usually measured on a test stand: the discharge and the runner rotation speed. The no-load runner speed varies with the level of cavitation and the flow topology in the interblade channels. The links between RCᵤ₁₁, the flow topology in the turbine, the blade loading and the position of cavitating zones were studied with numerical simulations. The numerical simulations showed that the blade loading differs significantly between no-load conditions at small and large guide vane openings. In no-load, the regions over the blades producing a turbine torque, i.e., oriented in the turbine rotating direction, must be balanced by regions producing a braking torque, opposed to turbine rotation, to achieve a zero-torque condition. The cavitation is located in the regions producing most of the braking torque for no-loads at small guide vane openings, near the speed-no-load condition. The presence of cavitation unbalances the equilibrium between the motor and braking torques over the blades and changes the operating points. No-load conditions at small guide vane openings are thus more sensitive to the presence of cavitation.

Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Ce mémoire présente l’étude numérique d’une turbine hydroélectrique de type Francis de moyenne chute dans le cadre du projet Tr-FRANCIS au Laboratoire de Machines Hydrauliques. Le but de cette maîtrise est de caractériser les réponses structurelle et modale préliminaires de la roue en condition d’opération de marche à vide aux échelles prototype et modèle. Concrètement, le travail vise à identifier les zones de contraintes élevées et à déterminer les fréquences naturelles. La méthodologie numérique utilisée consiste à interpoler les forces induites par l’écoulement sur le maillage et à calculer la réponse structurelle suivant une approche dépendante du temps. Les modèles numériques sont validés par des études d’indépendance de maillage, l’investigation paramétrique de l’influence des conditions limites ainsi qu’en comparant des méthodes d’interpolation. Les résultats sont ensuite analysés dans les domaines temporel et fréquentiel pour mesurer le niveau de contraintes et déterminer les excitations qui sollicitent la structure. Des simulations modales permettent également d’identifier les fréquences naturelles et les déformées de la roue dans le vide et en opération dans l’eau. Les résultats structuraux de la turbine Tr-FRANCIS indiquent de faibles niveaux de contraintes statiques et dynamiques. L’étude de l’impact du chargement fluide conclut que le cisaillement pariétal et la pression doivent être considérés pour prédire fidèlement le comportement structurel de la turbine dans la condition d’opération simulée. Une analyse paramétrique montre que des variations de la vitesse du son dans l’eau entraînent une réduction des fréquences naturelles de la roue dans sa configuration confinée. L’application d’une méthode de transposition de la réponse structurelle du modèle prédit fidèlement les contraintes statiques et dynamiques du prototype. Finalement, la mise à l’échelle des fréquences naturelles suggère l’utilisation d’une vitesse du son réduite à l’échelle modèle. / This thesis presents the numerical study of a medium-head hydroelectric Francis turbine within the scope of the Tr-FRANCIS project at the Hydraulic Machine Laboratory. The goal of this masters is to characterize the preliminary structural and modal responses of the runner in speed-no-load operating condition at prototype and model scales. Specifically, the work aims at identifying the areas of high stresses and at determining the natural frequencies. The numerical methodology used consists of interpolating the flow-induced forces onto the mesh and to calculate the structural response following a time-dependent approach. The numerical models are validated with mesh independence studies, the investigation of the influence of boundary conditions and by comparing mapping methods. The results are then analyzed in the time and frequency domains to measure the stress levels and to determine the excitations that solicit the structure. Modal simulations also allow identifying the natural frequencies and the mode shapes of the runner in void and in operation in water. The structural results of the Tr-FRANCIS turbine indicate low levels of static and dynamic stresses. The study of the impact of the fluid loading concludes that wall shear and pressure must be considered to accurately predict the structural behaviour of the turbine in the operating condition simulated. A parametric analysis shows that variations of the speed of sound in water leads to a reduction in the natural frequencies of the runner in its confined configuration. The application of a transposition method of the structural response of the model adequately predicts the static and dynamic stresses of the prototype. Finally, the scaling of the natural frequencies suggests the use of a reduced speed of sound at model scale.

Ce projet de maîtrise vise à faire une caractérisation préliminaire de l'écoulement d'une turbine Francis de moyenne chute au régime sans charge dans le cadre du projet Tr-Francis au Laboratoire de machines hydrauliques. Concrètement, le projet a validé la méthodologie numérique utilisée à l'aide de mesures expérimentales préliminaires. De plus, les simulations numérique sont permis de fournir les chargements fluides afin que des simulations structurelles puissent être réalisées. Finalement, les résultats ont permis de cibler les structures dominantes dans l'écoulement qui causent les plus importantes fluctuations de pression et ainsi aider l'équipe expérimentale à positionner les capteurs de pression et à choisir leurs plans de mesures. Pour y arriver, la méthodologie est basée sur des interpolations de mesures effectuées par Hydro-Québec au régime sans charge sur le prototype. Les données sont prises telles quelles pour les simulations effectuées à l'échelle prototype et elles sont mise à l'échelle grâce aux lois de similitude de la norme IEC 60193 pour les simulations à l'échelle modèle. L'effet des conditions d'entrée dans le domaine est étudié sur des domaines partiels avec des maillages de différentes densités ainsi que sur le domaine complet. Les pressions obtenues numériquement dans l'aspirateur sont comparées aux mesures expérimentales préliminaires et les résultats sont concordants. De plus, les poches de cavitations observées numériquement au bord de fuite remontant sur le côté pression des aubes sont, de plus, confirmées par l'expérimentation. Des analyses fréquentielles à partir des signaux de pression sont utilisées dans ce projet afin de caractériser les phénomènes. En plus d'utiliser différentes méthodes de visualisation numériques afin d'isoler et d'analyser les structures principales dans l'écoulement. Imposer un profil de vitesse uniforme comparativement à un profil de vitesse tiré de simulations de la bâche et de la conduite d'amenée ne modifie pas les résultats significativement à l'échelle modèle avec le maillage le plus fin. Lors des simulations avec le domaine complet, plusieurs phénomènes d'importances ont été observés. Notamment des tourbillons inter-aubes, qui ont une modulation à f/n = 1, une importante zone de recirculation dans l'aspirateur qui remonte jusque dans la roue, des tourbillons à l'interface entre la roue et l'aspirateur qui se développent dans la couche cisaillée, un débalancement de l'aspirateur causé par le coude ainsi qu'une zone cavitante au bord de fuite. / This thesis presents the preliminary characterization of the flow in a medium head Francis turbine at speed no-load within the scope of the Tr-Francis project at the Hydraulic Machinery. Laboratory. Concretely, the project aims at validating the numerical methodology used with preliminary experimental measurements. Moreover, the numerical simulations will provide the fluid load for the FEA simulations. Ultimately, the results will allow identifying the dominant structures in the flow causing important fluctuations. Thus helping the experimental team to find the optimal location for the pressure sensors and the measuring planes. To do so, the numerical methodology is based on the measurements interpolation performed by Hydro-Québec on the prototype turbine at speed no-load. The data are applied, as they are, as the initial conditions for the prototype scale simulations. For the model scale simulations, they are scaled down using the similitude laws from the IEC 60193 standard. The effects of the inlet conditions are studied on partial domains with different mesh densities as well as on the complete domain. To validate the simulations, the pressure measurements obtained numerically in the draft tube are compared with the preliminary measurements and the results are in good agreement. Furthermore, the trailing edge cavitation observed numerically is also visible in experimental flow visualizations. Spectral analyses of pressure signals are used to help to characterize the phenomena. Different numerical visualization techniques are also used to isolate and analyse the main flow structures. Imposing a uniform velocity profile compared to the one obtained from the penstock and spiral case simulation does not significantly affect the results at model scale with the finest grid. Many important phenomena such as modulated inter-blades vortices, an important backflow region in the draft tube coming up to the runner, vortices generated in the draft tube in the shear layer, static pressure imbalance in the draft tube caused by the elbow and trailing blade cavitation were observed on the complete domain model scale simulations.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1998. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Afin de planifier le déploiement d'un parc d'hydroliennes en rivière et de maximiser son extraction d'énergie, des simulations de parc de turbines sont souvent effectuées. Cependant, dans un contexte où des dizaines de turbines sont déployées, il est impensable de simuler la géométrie complète de chaque turbine. Il est donc nécessaire d'utiliser des modèles simplifiés qui reproduisent fidèlement les turbines et qui intègrent toutes les principales interactions se produisant dans un parc de turbines, à savoir les interactions turbine-sillage, les effets de blocage et l'interaction avec la ressource. Le modèle EPTM (Effective Performance Turbine Model) est un outil approprié en ce sens, permettant de tester et d'analyser un grand nombre de configurations de parc différentes à un faible coût de calcul. Pour garantir une utilisation adéquate et fiable dans des conditions d'écoulement de rivière et de parc, l'EPTM a d'abord été validé et adapté, en se concentrant sur la technologie de turbine à axe transversal (Cross-Flow Turbine : CFT). Dans ce but, une méthodologie numérique a été développée pour reproduire les conditions d'écoulement de rivière et les conditions d'écoulement de parc (présence de perturbations). À l'aide de simulations complètes de turbine en 3D utilisant cette méthodologie, on constate qu'une turbine fonctionnant dans ces conditions voit une réduction de ses performances. Cependant, il s'avère que le coefficient de traînée effectif reste essentiellement inchangé, ce qui permet d'utiliser la même distribution de coefficients de force locale effectif dans toute situation. De plus, bien que le coefficient de puissance effectif apparaisse plus faible que pour une turbine dans des conditions d'écoulement idéalisées, il ne varie pas en fonction du type de perturbation et sa diminution est faible en conditions de surface libre. Ceci est important pour l'utilisation de l'EPTM, car le modèle simplifié est basé sur cette hypothèse. De multiples comparaisons entre l'EPTM et les simulations de turbine complète dans des conditions d'écoulement de rivière ou de parc ont confirmé que l'EPTM-CFT est toujours capable de prédire avec précision les performances des turbines et de reproduire leur sillage moyen avec un haut degré de fiabilité. Suite à cette procédure de validation, des simulations de parc de turbines ont été réalisées à l'aide de l'EPTM-CFT. Assumant un écoulement ambient turbulent, de nombreuses configurations de parc de turbines à axe vertical ont été testées pour étudier plus précisément l'effet du blocage local, de l'espacement latéral et longitudinal, du décalage latéral entre les rangées et du sens de rotation sur les performances des turbines. Les résultats ont montré que les effets de blocage doivent être considérés simultanément avec les interactions turbine-sillage, en particulier lorsque les turbines génèrent un sillage qui dévie latéralement en aval. Ce dernier aspect joue d'ailleurs un rôle important en vue de déterminer si les rangées devraient être décalées entre elles ou non. Pour un parc à plusieurs rangées, cet aspect affecte également la pertinence des différents paramètres utilisés. En effet, dans ce contexte, l'espacement latéral devient plus significatif que la valeur de blocage local. Pour aider à statuer sur l'espacement latéral et longitudinal optimal à fixer au sein d'un parc, un nouveau paramètre a été proposé : la puissance marginale par turbine. Comme de nombreuses variables économiques peuvent entrer en jeu, ce paramètre permet de quantifier l'avantage d'ajouter des rangées ou des colonnes de turbines par rapport à la puissance déjà installée. Enfin, il est possible, pour un parc de turbines optimal donné, d'évaluer son impact sur la ressource. Sur la base d'un vrai site en rivière, une simulation réaliste d'un parc de turbines en rivière a été effectuée en utilisant la méthodologie développée précédemment. Les résultats de la simulation, comparés aux résultats de simulations plus simplifiées, ont souligné qu'une géométrie de canal appropriée et une distribution juste de la vitesse d'entrée sont essentielles pour obtenir des performances de turbine fiables. S'il apparaît que la prise en compte de la surface libre a affecté de manière négligeable les performances du parc et le niveau d'eau en amont pour le cas considéré, il n'en reste pas moins que l'évaluation de l'impact sur la ressource est toujours pertinente puisque l'élévation du niveau d'eau peut être plus importante si le niveau de blocage ou le nombre de Froude sont plus élevés. / In order to plan a river hydrokinetic turbine array deployment and to maximize its energy extraction, turbine array simulations are often carried out. However, in a context where tens of turbines are deployed, it is unthinkable to simulate the complete rotating geometry of every turbine. It is therefore necessary to use simplified models that reproduce accurately the turbines and that incorporate all the main interactions taking place in a turbine array, namely the turbine-wake interactions, the blockage effects and the interaction with the resource. The Effective Performance Turbine Model (EPTM) is a suitable tool in that sense, allowing to test and analyze a large amount of different array configurations at a low computational cost. Although the EPTM has been developed to serve as a tool for array analysis, it has only been tested up to now in a uniform flow with a low turbulence level. For this reason, the EPTM has been validated and adapted in this work to ensure a proper and reliable use in river array flow conditions. Herein, the efforts has been mainly put on a cross-flow turbine (CFT) technology. First, a numerical methodology has been developed to reproduce river flow conditions and array flow conditions, which include shear, large-scale temporal fluctuations and (modeled) turbulence. Following 3D blade-resolved turbine simulations, it is found that a turbine operating in those conditions sees a reduction of its performance, especially when the shear aspect is present. However, it turns out that the effective drag coefficient remains essentially unchanged, allowing to use the same local effective force coefficient distribution in every situation. Moreover, although the effective power coefficient appears to be lower than for a turbine in idealized flow conditions, it does not vary depending of the type of perturbation and its decrease is small under free-surface conditions. This is important for the use of the EPTM, since the simplified model is based on this assumption. Multiple comparisons between EPTM and blade-resolved turbine simulations in river/array flow conditions have confirmed that the EPTM-CFT is always able to predict accurately the performances of the turbines and to reproduce their mean wake with a high degree of reliability. Following this validation procedure, a series of turbine array simulations have been conducted using the EPTM-CFT. Assuming a turbulent flow environment, many vertical-axis turbine array configurations have been tested to study more precisely the effect of local blockage, lateral and longitudinal spacing, array staggering and direction of rotation on turbine performance. Results have shown that all aspects of blockage, local and global, must be considered simultaneously with the possibility of turbine-wake interaction, especially when the turbines generate a wake that deflects sideways downstream. The latter aspect could play an important role in determining whether or not the array should be staggered. For a multiple-row array, this aspect also affects the relevance of the different array parameters used. Indeed, in this context, the lateral spacing becomes more meaningful than the local blockage value. To help decide on the optimal lateral and longitudinal spacing to set within an array, a new parameter has been proposed: the marginal power per turbine. As many economic variables can come into play, this parameter helps quantifying the benefit of adding rows or columns of turbines in comparison to the already installed power. Finally, it is possible, for an identified optimal turbine array, to assess its impact on the resource. Based on an actual river site, a realistic simulation of a turbine array in river has been performed using the methodology previously developed. The simulation results, compared with the results of more simplified simulations, have pointed out that an appropriate channel geometry and an accurate inflow velocity distribution are essential to obtain reliable array performances. Although it arises that taking into account the free surface has negligibly affected the array performances and the water level upstream for the case considered, it remains that the assessment of the impact on the resource is always relevant since the rise in the water level can be larger if the blockage ratio or the Froude number are higher.

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.