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2015 - Axe 3 - Fiabilité et évaluation des incertitudes pour la simulation numérique de la turbulence : application aux machines hydrauliques

Thèse d’Olivier Brugière

Financement : ADEME/Alstom Hydro France

La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en œuvre l’effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d’entrée de l’écoulement ; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d’essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche non intrusive de quantification d’incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d’intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d’entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d’entrée (profils de vitesse,en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L’approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d’intérêt mais également pour disposer d’une analyse de la variance qui permet d’identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d’expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d’entrée.Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d’évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d’une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d’une stratégie SGE et d’une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d’entrée permet également de proposer une démarche d’optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudié.

Publications

Peer-reviewed Publications

2013
Brugière, O., Balarac, G., Corre, C. E., Métais, O., Flores, E., & Leroy, P. (2013). Numerical optimization of a Francis turbine’s guide vane axis location including inflow uncertainties. La Houille Blanche – Revue internationale de l’eau, .
2011
Duprat, C., Balarac, G., Métais, O., Congedo, P. M., & Brugière, O. (2011). A wall-layer model for large-eddy simulations of turbulent flows with/out pressure gradient. Physics of Fluids, 23, 015101.

Conference Proceedings

2012
Brugière, O., Balarac, G., Corre, C. E., Métais, O., Flores, E., & Leroy, P. (2012). Numerical optimization of a Francis turbine’s guide vane axis location including inflow uncertainties. In SimHydro 2012 : Nouvelles frontières de la simulation (pp. 1–8). Sophia-Antipolis, France.
Brugière, O., Balarac, G., Corre, C. E., Métais, O., Flores, E., & Leroy, P. (2012). Numerical prediction of a draft tube flow taking into account uncertain inlet conditions. In 26th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems (pp. 1–8). Pékin, China.
2010
Balarac, G., Kosovichev, A., Brugière, O., Wray, A., & Mansour, N. (2010). Modeling of the subgrid-scale term of the filtered magnetic field transport equation. In Proceedings of the Summer Program 2010. Stanford, United States: Stanford University.
Congedo, P. M., Brugière, O., Balarac, G., Métais, O., & Duprat, C. (2010). A wall model for LES of turbulent flows with/out pressure gradient. In ERCOFTAC Workshop Direct and Large Eddy Simulation 8. Eindhoven, Netherlands.

Ph.D. Theses

2015
Brugière, O. (2015). Reliability and uncertainty assessment for the numerical simulation of turbulence : application to hydraulic machines. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, .