C’est une activité dans le domaine des sciences de l’ingénieur qui est culturellement proche de G-INP (tous les membres de l’équipe enseignants chercheurs à Ense3 y participent). Elle concerne les turbines hydrauliques, les pompes d’alimentation cryogéniques, les pompes pour le nucléaire, ainsi que les turbines émergentes pour les filières hydrolienne et éolienne. Les champs d’applications concernent la prévision et l’amélioration des performances des équipements, l’étude des comportements instables et, de façon générale, la fiabilité des machines et des systèmes hydrauliques en termes de plage de fonctionnement et de durée de vie. Les recherches portent sur l’étude expérimentale et numérique des écoulements en présence ou non de cavitation : écoulements tridimensionnels complexes, comportements instationnaires à différentes échelles. Les recherches s’intéressent également aux interactions fluide – structure, cherchent à optimiser de nouvelles machines, et à étudier la problématique de leur mise en parc. Cet axe concentre les collaborations avec les grands groupes industriels (EDF, GE, CNES, Cetim, Safran, Andritz, KSB) et bénéficie d’un important flux de doctorants (huit thèses soutenues, quatre en cours, deux post-doctorats). Des interactions existent avec les équipes Most et EDT.
S. Barre, D. Colombet, P-L Delafin, R. Fortes – Patella, S. Hoerner
Une turbomachine permet un échange d’énergie entre sa partie solide tournante et un fluide extérieur. Cette définition concerne les machines hydrauliques conventionnelles (pompes et turbines, inducteurs) et les nouveaux systèmes que sont les hydroliennes destinées à exploiter l’énergie des courants marins et fluviaux. Les recherches menées dans notre équipe sur les turbomachines sont des actions de recherche mixtes avec des partenaires industriels. Le défi de la transition énergétique a redynamisé cette activité. Il faut pouvoir reproduire et prédire les écoulements 3D instationnaires se développant dans ces machines lorsqu’elles subissent des conditions de fonctionnement pour lesquelles elles n’ont pas été conçues. Concernant les machines hydrauliques conventionnelles, il faut répondre au besoin d’accroître leur flexibilité en les utilisant dans une plage pression – débit éloignée de leur point de fonctionnement. C’est le cas par exemple pour le fonctionnement à charge partielle des turbines, destiné à compenser l’intermittence des sources renouvelables (éolien, hydrolien, hydrodynamique), ou pour le passage entre les modes pompage et turbinage. Ces variations des conditions de fonctionnement conduisent à des régimes hydrodynamiques instables ainsi qu’à une augmentation des sollicitations dynamiques sur les parties solides des machines, avec ou sans apparition de cavitation. Concernant les hydroliennes, l’optimisation du profil des aubes est un sujet crucial. À l’échelle du parc, l’interaction machine – sillage est étudiée pour optimiser son architecture. À plus grande échelle, une question importante concerne l’impact environnemental des turbines sur l’écosystème. La prise en compte de cette dimension environnementale a été renforcée avec le recrutement de S. Hoerner, ancien doctorant de T. Maître, lauréat du prix européen de la meilleure thèse franco-allemande, qui oriente ses recherches dans ce sens. S. Hoerner a soutenu son Habilitation à Diriger les Recherches ’Sustainability Aspects on Hydraulic Machines’ à l’UGA en 2024.
Le bilan des travaux des membres de l’équipe concernés par cet axe est le suivant.
Les écoulements instationnaires turbulents dans des géométries complexes, en régime cavitant et non cavitant, ont été étudiés numériquement. Des calculs inédits en régime de cavitation ont été faits pour des turbines Kaplan en mode de pompage (F. Turi). En partenariat avec EDF et le CETIM, une thèse (J. Ferhat) a été menée ayant comme objectif le développement d’une approche originale par la simulation numérique bi-fluide des écoulements cavitants. L’étude s’est faite à l’aide du code neptune_CFD développé par un consortium EDF/CEA/AREVA/IRSN et dédié aux écoulements multiphasiques turbulents (Figure 1). Ces études ont permis entre-autres de mener des comparaisons entre des écoulements en eau et en sodium dans de pompes pour l’industrie nucléaire. En plus de l’analyse physique approfondie du comportement instationnaire et de la structure diphasique et turbulente des écoulements cavitants, ces travaux ont permis d’évaluer l’agressivité des écoulements considérés. Ils servent de base également à une nouvelle thèse démarrée en octobre 2023 (S. Martel) en partenariat avec le CEA Saclay/Cadarache ayant comme objectif la modélisation thermo-hydraulique prédictive des pompes aux régimes diphasiques accidentels.
Le Legi participe avec l’institut P’ à une étude numérique pilotée par Safran sur la simulation de la cavitation au sein de futures pompes fonctionnant à l’hydrogène liquide, qui alimenteront des turboréacteurs décarbonés. Suite à de premières études, une thèse CIFRE aura débutée sur ce sujet en 2025.
Figure 1. Écoulement cavitant en eau autour d’un hydrofoil : comparaison entre des essais (réalisés à l’EPFL) et des calculs issus d’un modèle bi-fluide.
Une autre action concerne le développement de turbines plus classiques. Suite à une sollicitation en 2019 de la société Thomsea, 2 thèses CIFRE ont été financées (R. Gautier, 2023, puis V. Taesch, depuis 2023). Le but est de développer des « maréliennes », c’est-à-dire des turbines permettant par exemple d’exploiter le marnage dans des zones de marais salant désaffectées. Cette turbine doit être simple, peu chère et avec un bon rendement de manière à rendre cette technologie attractive. Les simulations CFD sont donc un outil précieux de pré dimensionnement.
L’interaction fluide – structure pour des hydroliennes à flux transverse (turbine à axe vertical) à voilure déformable est un thème désormais pérennisé par l’équipe. Ces turbines sont insensibles à la direction de l’écoulement mais présentent des performances moindres que celles des hydroliennes à axe horizontal. Le défi est d’aboutir à une optimisation de ces structures. La thèse de Q. Clémençot (2023) s’est intéressée à une version innovante de turbine à flux transverse, incluant 2 axes de rotation. Dans le cadre de la thèse de S. Hoerner (2020) en cotutelle franco-allemande entre l’UGA et l’université Otto-von-Guericke de Magdebourg, les travaux ont porté sur le contrôle passif de l’écoulement par des pales de turbines flexibles (Figure 2). L’expérience a montré que les pales flexibles peuvent soulager la structure et augmenter l’avancement des pales de 25 %. Le recrutement récent de S. Hoerner permet de consolider cette collaboration franco-allemande, avec le projet OPTIDE financé à l’UGA par TEC21 et à l’OVGU par la DFG. Deux thèses en co-tutelle sont en cours, et portent respectivement sur l’optimisation numérique et expérimentale d’une turbine à axe vertical (K. Ruiz-Hussmann) et sur l’observation des interactions fluide-structure sur ces turbines (T. Bennecke).
L’installation en parc d’hydroliennes à flux transverse est aussi intéressante comparée à celle de turbines à axe horizontal classiques du fait d’une étendue plus faible du sillage en aval du rotor, ce qui permettrait ainsi une meilleure densité énergétique. Les travaux de thèse de Q. Lustig (démarrée en 2024), en thèse CIFRE avec Hydroquest, s’intéressent aux prédictions des performances et du sillage d’une turbine Hydroquest (combinant 4 rotors similaires à celui de la Fig. 2).
Figure 2 : Gauche : Turbine testée dans le canal de l’université OvGU (Allemagne). Droite : illustration d’une simulation 3D d’une turbine similaire.
Si l’hydroélectricité occupe une place de choix dans la filière de décarbonation de l’industrie, il faut avoir conscience qu’elle a toutefois quelques conséquences graves sur l’environnement. Cela est dû à l’obstruction des rivières et des fleuves qui empêche la continuité des cours d’eau et entraîne, entre autres, une perturbation du transport des sédiments, ce qui est préjudiciable au littoral. Les parcs d’hydroliennes peuvent aussi affecter localement les courants. Les mouvements migratoires naturels des poissons sont également fortement perturbés. Ces sujets suivis par S. Hoerner en Allemagne avant son recrutement se poursuivent dorénavant au LEGI. On citera deux nouveaux sujets de recherche : le développement de turbines hydrocinétiques qui ne nécessitent pas la construction de barrages et le développement de méthodes pour concevoir des turbines et des pompes compatibles avec la présence de poissons ; la simulation des poissons dans les passages de pompes et de turbines par des méthodes CFD-DEM couplées avec des modèles de comportement de poissons. Dans ce cadre, une coopération a été établie avec le fabricant de pompes KSB et une pompe adaptée aux poissons a été développée et installée fin 2024.
Enfin, une démarche de valorisation a été entreprise, grâce au soutien de la SATT Linksium. La volonté de contrôler et de détecter à l’échelle locale la qualité des eaux et les fuites des réseaux hydrauliques, va nécessiter l’installation d’un maillage très dense de capteurs connectés, dont certains dans des endroits isolés du réseau électrique. La pico-turbine ‘Sensefeeder’, développée dans l’équipe Énergétique et brevetée par l’UGA, s’intègre sans contrainte dans le circuit à surveiller et produit l’énergie électrique nécessaire pour alimenter les capteurs. La cession de la licence à un industriel est en voie de finalisation.