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.

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.

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.

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.

L'utilisation croissante des sources d'énergie renouvelable avec une grande volatilité de production, comme l'énergie éolienne et solaire, conduit à des fluctuations dans le réseau électrique qui doivent être compensées. Pour cette raison les machines hydrauliques, turbines et pompes, sont plus souvent opérées dans les régimes de fonctionnement hors fonctionnement nominal et la fréquence des phases de démarrage et arrêt augmente. Ce type de fonctionnement peut avoir des conséquences importantes sur le cycle de vie des machines. Il est donc essentiel de prendre en compte l'écoulement dans les phases transitoires lors de la conception de la machine et la simulation numérique des écoulements est un outil adapté pour cela. La présente étude a pour objectif de développer une méthode de couplage flexible qui combine la méthode à maillage volumes finis (VF) et la méthode sans maillage Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE). Cette méthode couplée peut être utilisée comme outil pour l'investigation des phénomènes transitoires dans les machines hydrauliques. SPH-ALE est particulièrement bien adapté aux simulations des écoulements fortement dynamiques avec des géométries mobiles mais elle a des difficultés pour calculer des forts gradients de pression et vitesse. Un raffinement de particules est difficile à implémenter, surtout si les particules doivent être raffinées de manière anisotrope. Les méthodes volumes finis (VF) sont établies pour les simulations numériques d'écoulements grâce à leur stabilité et précision. Par contre, elles peuvent être lourdes pour les simulations avec des géométries mobiles et demandent souvent une interface entre des parties mobiles et statiques du maillage ce qui génère des erreurs supplémentaires. Pour combiner les deux approches complémentaires, une méthode de couplage a été développée qui décompose le domaine de calcul en zones où la vitesse et la pression sont calculées par la méthode VF, en zones où elles sont obtenues par SPH-ALE et en zones de recouvrement où les informations sont transférées de la zone VF à la zone SPH et inversement. Dans les zones de recouvrement les points de calcul VF sont utilisés comme voisins pour l'intégration en espace des particules SPH. Aux limites du maillage VF la vitesse et la pression sont interpolées des particules SPH, similairement aux méthodes Chimére des maillages recouvrants. Un logiciel SPH-ALE existant du groupe ANDRITZ est utilisé pour cette étude. Un solveur VF faiblement compressible est implémenté dans ce logiciel. Le solveur discrétise la même forme des équations de Navier-Stokes que le solveur SPH-ALE. Des solveurs de Riemann avec des états reconstruits par la méthode MUSCL sont employés. En outre, le solveur SPH-ALE est amélioré et adapté aux écoulements internes. Pour cette raison des conditions à l'entrée et à la sortie du type subsonique sont implémentées. Du plus, une méthode de correction du gradient de la fonction kernel est présentée qui améliore la précision du champ de pression, notamment si les particules ne sont pas distribuées régulièrement. La méthode couplée est validée à l'aide des cas test académiques en unidimensionnel et en bidimensionnel, comme le cas de tube à choc, les tourbillons de Taylor-Green et l'écoulement autour d'une aube symétrique du type NACA avec des particules en description eulérienne. En outre, le couplage offre la possibilité d'imposer des conditions à la sortie aux particules lagrangiennes. La méthode est appliquée aux simulations d'écoulement transitoire en 2D avec des particules qui se déplacent en suivant les géométries mobiles. / The increased use of intermittent forms of renewable energy like wind and solar energy produces fluctuations in the electric grid that have to be compensated. For this reason, hydraulic machines like turbines and pumps are more often operated under non-conventional operating conditions and are submitted to frequent starts and stops. This type of operating conditions has important consequences on the life cycle of the machines. It is thus of paramount importance that transient flows at off-design conditions are properly taken into account in the design phase and numerical simulation is an appropriate way to do so. The present study aims at developing a flexible coupling method of the meshbased Finite Volume Method (FVM) and the meshless Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE) method, which can be used as a tool for the investigation of transient phenomena in hydraulic machines. SPH-ALE is very well adapted for the simulation of highly dynamic flows with moving geometries but has difficulties to correctly represent rapidly changing gradients of the field variables. Particle refinement is difficult to implement, especially if particles are refined in an anisotropic way. FV methods are well established in CFD because of their accuracy and stability. However, they can be tedious for simulations with moving geometries and often necessitate an interface between moving and static parts of the mesh which introduces additional errors. To overcome the shortcomings of both methods, a coupling method is developed that uses a decomposition of the computational domain into regions where the physical field variables are computed by the FV method, regions where they are computed by SPH-ALE and overlapping regions where the information is transferred from the FV domain to the SPH domain and vice versa. In the overlapping regions FV calculation points are used as neighbors for the SPH integration in space. At the boundaries of the FV mesh, velocity and pressure are interpolated from the SPH particles by means of scattered data interpolation techniques, similarly to Chimera methods for overlapping grids. For this study, an existing SPH-ALE software of the ANDRITZ Group is used. A weakly compressible FV solver is implemented into this software that discretizes the same form of the Navier-Stokes equations than the SPH-ALE solver. Similar to the present SPH-ALE method, Riemann solvers with reconstructed states, obtained by a MUSCL scheme, are employed. Moreover, adaptations and improvements of the SPH-ALE solver itself are made, which are important for the coupling and for the simulation of internal flows in general. Thus, subsonic inlet and outlet conditions are implemented. Furthermore, a correction method of the kernel gradient is presented that ensures zeroth order consistency of the SPH-ALE approximation of the divergence of the convective fluxes. The correction improves greatly the SPH pressure field on non-uniform particle distributions. The implemented coupled method is successfully validated by means of inviscid academic one-dimensional and two-dimensional testcases like a shock tube case, Taylor-Green vortices and the flow around a symmetric NACA airfoil with particles in Eulerian description. Furthermore, the coupling provides a possibility to implement outlet boundary conditions to Lagrangian moving SPH particles. It is then applied to the simulation of transient flows in rotor stator systems in 2D with moving particles.

Ce travail de mémoire présente la modélisation numérique et l'analyse de l'écoulement dans un seul passage de la roue d'une turbine hydraulique axiale de type hélice à l'aide du logiciel ANS YS CFX 11.0. Une approche Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), basé sur le modèle Shear Stress Transport (SST), a été utilisée pour modéliser numériquement l'écoulement. Les simulations prennent en considération le jeu à l'extrémité des aubes. Souvent, le jeu est omis dans les simulations numériques dans les roues de turbines hydrauliques. Cependant, il donne lieu à l'écoulement de fuite interne et autres phénomènes turbulents, tel que le tourbillon de bout d'aube. La comparaison des simulations avec les mesures expérimentales réalisées dans la roue du modèle réduit de la turbine hélice démontrent que l'inclusion du jeu dans les simulations est essentielle pour mieux représenter les caractéristiques réelles de l'écoulement dans la roue de la turbine hélice et ainsi améliorer la prédiction de la performance de la roue d'une turbine hydraulique axiale.

La R.D. Congo possède l’un de taux de desserte en électricité le plus faible au monde (moins de 1 % en zones rurales) malgré son important potentiel hydroélectrique estimé à 100.000 MW. Pour accroitre le taux de desserte en électricité en construisant des microcentrales hydroélectrique, il est impérieux d’utiliser une technologie simple, fiable, robuste et peu coûteuse. La turbine à vis d’Archimède apparait comme une solution appropriée à ces exigences. Nous avons ainsi conçu et fabriqué localement (à Lubumbashi) un banc d’essai d’une turbine à vis d’Archimède possédant seulement deux hélices et des pas larges (β = 30° et β = 45°). L’objectif étant de simplifier la fabrication et réduire la quantité d’acier utilisé pour la vis par rapport aux vis utilisées en Europe et aux U.S.A. Le banc d’essais nous a permis d’obtenir six configurations combinant la pente de la vis (α = 22,5°, 30° et 37,5°) et les pas. La combinaison la plus optimale est la configuration de la vis inclinée de α = 22,5° par rapport à l’horizontale et dont l’hélice est orientée de β = 45° sur le moyeu (p45H22).<p>En second lieu, vient la configuration de la vis inclinée de α = 30° et dont l’hélice est orientée de β = 45° sur le moyeu (p45H30). Ces deux configurations ont respectivement un rendement à débit nominal de 89 et 86 %./D.R. Congo has an electricity service rate that ranks as the lowest in the world (less than 1% in rural areas) despite its large hydroelectric potential estimated at 100,000 MW. To increase the rate of access to electricity by constructing small hydropower plant, it is imperative to use simple technology, reliable, robust and inexpensive. The Archimedean screw turbine appears to be an appropriate solution to these requirements. We have designed and manufactured locally (in Lubumbashi) a test bench for Archimedean’s screw turbines having two blades only and a large pitch p function of β ( β = 30 ° and β = 45 °, β being the orientation angle of the blade on the screw cylinder). The goal is to simplify manufacturing and reduce the amount of steel used for the screw relative to the screws used in Europe or in USA. The test bench has allowed the experiments with six configurations combining the slope of the screw (α = 22.5 °, 30 ° and 37.5 °) and the pitch p (with varying rotation speed). The optimal combination appeared to be the configuration of the screw inclined at α = 22.5 ° relative to the horizon and with an helix β = 45 ° on the cylinder of the screw. The second best configuration has an inclined screw α = 30 ° and the helix which is oriented β = 45 °. These two configurations each have a global efficiency of 89% and 86%, respectively. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif du présent mémoire est de clarifier l'influence qu'ont sur la solution divers paramètres de calcul couramment utilisés en mécanique des fluides numérique, dans le but d'améliorer la prédiction de l'écoulement dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour y arriver, la résolution eulérienne des équations de Navier-Stokes est faite par une approche RAXS à l'aide du logiciel commercial ANSYS CFX. Pour les trois cas tests sélectionnés, la turbulence est modélisée à l'aide des modèles à deux équations k ? e ou SST. Les résultats principaux font ressortir très clairement l'impact de la composante radiale de la vitesse ainsi que des quantités turbulentes imposées sur la frontière amont du domaine de calcul. On remarque aussi que l'extension ajoutée en aval du domaine d'intérêt peut quant à elle faire varier de façon significative la pression statique dans la dernière portion de la géométrie et ainsi influencer le coefficient de récupération mesuré. Finalement les deux modèles de turbulence utilisés sont eux aussi susceptibles d'influencer le développement de l'écoulement.