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Prédiction des pertes de charge dans les turbines hydrauliques : calculs 3D instationnaires

Thèse de Sylvia Wilhelm

Financement : Alstom (CIFRE)

Cette thèse, financée par Alstom dans le cadre d’une convention CIFRE, a pour objectif la prédiction numérique fiable des pertes de charge dans les aspirateurs de turbines « bulbe ». Les turbines bulbes sont des turbines « au fil de l’eau » fonctionnant sous quelques mètres de chute. L’aspirateur est l’élément de la centrale hydro-électrique situé directement en aval de la roue et qui a pour fonction la récupération de l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue. De part sa forme divergente, l’aspirateur convertit cette énergie cinétique en pression statique augmentant ainsi le différentiel de pression aux bornes de la roue et donc l’efficacité de la turbine. La prédiction des pertes de charge dans l’aspirateur est donc un enjeu crucial en terme de compétitivité. Cette prédiction s’appuie sur des essais physiques mais fait également appel à la simulation numérique, moins couteuse et donnant accès à une description plus complète de l’écoulement dans l’aspirateur. De part la nature complexe de cet écoulement (instationnaire, turbulent, rotationnel, divergent,… ), les modèles de simulations RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) classiquement utilisés sont mis en défaut. Une autre source d’erreur est liée à la définition d’une condition d’entrée pertinente du domaine de calcul, réduit habituellement à l’aspirateur seul pour des questions de coûts et temps de calcul. L’objectif de cette thèse est donc d’améliorer la prédiction numérique des pertes de charge dans l’aspirateur par la réalisation de simulations numériques de type LES (Large Eddy Simulation) de l’aspirateur couplé à la roue. En incluant la roue dans le domaine de calcul, les conditions d’entrée de l’aspirateur sont supposées être mieux définies, prenant notamment en compte le sillage des pales de la roue. La prédiction de l’écoulement turbulent est également améliorée puisqu’une partie des échelles turbulentes est résolue dans une LES. Les calculs LES sont réalisés à l’aide du code YALES2, développé principalement au laboratoire universitaire CORIA. Ils sont comparés à des calculs URANS de roue et aspirateur réalisés avec le logiciel ANSYS CFX. Ces calculs sont réalisés pour plusieurs points de fonctionnement pour lesquels des mesures expérimentales de vitesse et de pertes de charge dans l’aspirateur sont disponibles. Une analyse de l’écoulement dans l’aspirateur sera alors réalisée pour comprendre l’origine des pertes de charge. Une perspective pour Alstom pourrait être de réduire ces pertes de charge grâce à cette analyse lors de la conception de nouveaux aspirateurs.

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Calcul LES sur un maillage de 120 millions d’éléments ; Profil de vitesse instantanée dans le plan médian de l’aspirateur ; structure tourbillonnaire issue de la roue (iso-surface de critère Q)