Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels




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Axe 3 - Étude des pertes de charge dans un divergent par simulation numérique instationnaire

Thèse de Pedro Veras

L’aspirateur d’une turbine hydraulique convertit efficacement l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue en pression statique afin d’augmenter sa chute effective. Cependant, la demande de la flexibilité lors de la génération d’électricité en raison de l’intégration des sources d’énergie renouvelables intermittentes au réseau électrique force les turbines hydrauliques à opérer continuellement hors de leurs conditions optimales, ce qui augmente les pertes dans l’aspirateur. Dans le cas de turbines du type bulbe, qui fonctionnent en basses chutes, ces pertes peuvent représenter une partie importante des pertes d’énergie et donc être capable de bien prédire l’écoulement et les pertes dans cet équipement est crucial en termes de compétitivité. Même si les simulations numériques sont moins coûteuses à mettre en place et donnent accès à des bases de données plus complètes par rapport aux expériences, l’écoulement dans l’aspirateur est très complexe et donc difficile à simuler numériquement. Par exemple, il est fortement instationnaire, avec des grosses structures tourbillonnaires qui apparaissent dans la région centrale comme résultat de la rotation (voir la figure ci-dessous) et avec une couche limite qui est constamment soumise à des gradients adverses de pression en raison de la géométrie divergente de l’aspirateur. Tout cela est aussi influencé par la turbulence en amont. A partir des résultats d’une campagne expérimentale bien détaillée et réalisée en collaboration avec General Electric Renewable Energy, l’objectif de ce travail est d’utiliser des Simulations Grandes-Échelles (SGE) pour simuler numériquement l’écoulement dans l’aspirateur d’une turbine hydraulique du type bulbe, pour comprendre sa dynamique et pour investiguer ses mécanismes de pertes de charge. Une méthodologie d’adaptation du maillage basée sur deux critères ainsi qu’une stratégie pour masquer les éléments proches à la paroi sont implémentés afin de garantir une bonne résolution spatiale et en même temps un coût réduit de calcul. Les conditions limitées à l’entrée sont aussi examinées en raison de leur influence dans l’écoulement en aval. Des simulations initiales ont montré que les mesures expérimentales disponibles ne sont pas suffisantes pour conduire des SGE détaillées et que tant le champ moyen comme le champ fluctuant sont nécessaires. En ajoutant une turbulence homogène et isotrope aux profils de vitesse expérimentaux les résultats de l’écoulement dans l’aspirateur sont bien améliorés. Mais cette méthode dépend beaucoup d’ajustements empiriques. Donc, d’autres formes de génération de conditions d’entrée moyennes et fluctuantes sont actuellement étudiées. Finalement, un bilan d’énergie bien détaillé est conduit grâce à la description très fine de l’écoulement obtenu par les SGE, ce qui permet l’identification des principaux mécanismes de pertes de charge dans l’aspirateur.