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Étude des pertes de charge dans un aspirateur de turbine bulbe par simulations numériques instationnaires

Thèse de Sylvia Wilhelm

Financement : Alstom Hydro France / GE Renewable Energy

L’aspirateur d’une centrale hydroélectrique est l’organe hydraulique se situant en aval de la roue. Il a une forme divergente afin de récupérer l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue sous forme de pression statique et augmenter ainsi la chute nette de la centrale. Dans le cas des turbines de basse chute de type bulbe, les pertes de charge dans l’aspirateur influencent fortement le rendement global de la centrale. La prédiction correcte de ces pertes de charge au cours du dimensionnement de la turbine représente donc un enjeu majeur. La prédiction numérique des pertes de charge dans l’aspirateur est un réel challenge car l’écoulement dans l’aspirateur est dynamiquement complexe avec des nombres de Reynolds élevés, la présence de swirl et d’un gradient adverse de pression. Ces caractéristiques font que les approches de modélisation classiquement utilisées dans l’industrie sont mises en défaut. L’objectif de ce travail est double : (i) améliorer la prédiction de l’écoulement turbulent dans l’aspirateur en utilisant des approches instationnaires URANS et LES et en portant une attention particulière à la description des conditions d’entrée de l’aspirateur et (ii) réaliser une analyse fine des échanges énergétiques dans l’aspirateur pour mieux comprendre l’origine des pertes de charge. Une condition d’entrée instationnaire représentative de l’écoulement en sortie de roue est élaborée pour ces calculs. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales afin d’évaluer la capacité prédictive de chaque approche de modélisation de la turbulence (URANS et LES). Cette étape de validation met en évidence l’importance d’une définition correcte des trois composantes de la vitesse en entrée d’aspirateur. L’influence des conditions aux limites du domaine de calcul, à savoir la rugosité de la paroi et la condition de sortie de l’aspirateur, sur les résultats de simulation est évaluée, notamment dans le cas d’une résolution LES. Grâce à une analyse détaillée du bilan d’énergie cinétique moyenne dans l’aspirateur, les phénomènes hydrodynamiques responsables des pertes de charge sont identifiés. Ceci permet d’analyser en détail les différences de prédiction de pertes de charge entre les calculs URANS et LES et d’identifier les pistes d’amélioration de la prédiction numérique de ces pertes. Enfin, cette analyse permet de comprendre l’évolution des pertes de charge observée entre plusieurs points de fonctionnement de la turbine.

Publications

Peer-reviewed Publications

2016
Wilhelm, S., Balarac, G., Métais, O., & Ségoufin, C. (2016). Analysis of Head Losses in a Turbine Draft Tube by Means of 3D Unsteady Simulations. Flow, Turbulence and Combustion, 97(4), 1255–1280.

Conference Proceedings

2016
Wilhelm, S., Balarac, G., Métais, O., & Ségoufin, C. (2016). Head Losses Prediction and Analysis in a Bulb Turbine Draft Tube under different operating conditions using Unsteady Simulations. In 28th Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, IAHR. Grenoble, France.
2015
Wilhelm, S., Balarac, G., Métais, O., & Ségoufin, C. (2015). Analysis of head losses in a turbine draft tube by means of 3D unsteady simulations. In Turbulence Heat and Mass Transfer 8. Sarajevo, Bosnia and Herzegovina.

Ph.D. Theses

2017
Wilhelm, S. (2017). Analysis of head losses in a bulb turbine draft tube by means of unsteady numerical simulations. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, .