Dissertations / Theses on the topic 'Turbines – Aubes – Modèles mathématiques'

Les gains en performances des moteurs aéronautiques obtenus par l'élévation de la température d'entrée turbine requièrent une hausse de l'efficacité du refroidissement des aubes, assuré par l'écoulement d'air frais sous haute pression dans des circuits internes. La conception des aubes nécessite alors de disposer d'outils de prévision des échanges convectifs internes, fiables et aux temps de rendu courts. Cette thèse a été consacrée au développement de méthodologies de calcul RANS adaptées à cette problématique à partir de la plateforme de calcul CEDRE de l'Onera qui traite des maillages non structurés. La modélisation des tensions de Reynolds et des flux turbulents d'enthalpie dans les zones dites haut et bas-Reynolds a été étudiée. On s'est notamment intéressé aux approches récentes offrant les meilleures perspectives de rapport qualité/coûts. Ainsi, des modèles à équations de transport reposant sur une viscosité turbulente, des modèles explicites algébriques d'ordre 2 et des lois de paroi numériques ont été évalués sur leurs capacités à rendre compte des effets de la rotation ou de la courbure des écoulements sur l'anisotropie de la turbulence et des conséquences de ces effets sur les échanges convectifs. La validation de ces modèles s'est basée sur les données des bancs d'essai MERCI et BATHIRE de l'Onera et celles issues du projet européen ERICKA. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec un modèle aux tensions de Reynolds explicite algébrique et un modèle de flux turbulents d'enthalpie basé sur une hypothèse de Gradient-Diffusion généralisé. Enfin, la méthodologie développée a été appliquée avec succès sur un cas d'aube réelle du motoriste Snecma
The increase in gas turbine performance based on a turbine entry temperature rise requires the improvement of the blade cooling efficiency. Blades are cooled by internal convection thanks to the injection of high-pressure unburnt air into cooling channels. Therefore fast and reliable numerical tools are able to predict internal convective heat transfers are needed for the design of turbine blades. The goal of the present work was to develop methodologies for RANS simulations able to achieve such predictions. The software platform of Onera called CEDRE, which is designed for unstructured meshes, has been used. Focus was on the modeling of the Reynolds stress tensor and the enthalpy turbulent fluxes for both high-Reynolds and near-wall areas. Meshing strategy was also considered. Greater emphasis was placed on the approaches that could yield the best quality/cost ratio. For that reason one-equation turbulence models based on eddy viscosity, explicit algebraic Reynolds stress models and advanced wall laws have been evaluated on their ability to reproduce the effects of rotation and flow curvature on turbulence anisotropy, and on the consequences of these effects on convective heat transfers. Validations were carried out by comparison with the experimental data obtained both on the MERCI and BATHIRE test rigs of Onera and in the framework of the european project ERICKA. Promising results were obtained with an explicit algebraic Reynolds stress model for turbulent momentum fluxes and a model based on a generalized gradient-diffusion hypothesis for turbulent enthalpy fluxes. The obtained methodology was successfully applied to a real blade configuration from Snecma

Les aubes de turbine Haute Pression des moteurs d’avion, constituées du superalliage monocristallin AM1, sont refroidies par un circuit complexe de microcanalisations, situé en bord d’attaque et près du bord de fuite. Il peut constituer des sites privilégiés d’endommagement et d’amorçage de fissures, qu’il est indispensable de prendre en compte dans le dimensionnement en fatigue des aubes de turbines. Ce travail a consisté, dans un premier temps, à réaliser une étude expérimentale sur des éprouvettes perforées de trous de différents diamètres. Elle a permis de mettre en évidence qualitativement et quantitativement l’effet du gradient de contrainte sur l’amorçage de fissure. Cependant, la contrainte locale maximale (ou la déformation maximale) ne peut suffire dans un critère de rupture, car elle surestime le risque de rupture, ne prenant pas en compte les effets d’échelle ou de géométrie. Une méthode de moyenne volumique a alors été proposée pour prendre en compte le gradient de contrainte dans le calcul de durée de vie et a ainsi permis d'améliorer les prévisions de durée de vie. Parallèlement, un modèle d'endommagement de fatigue anisotrope, qui couple plasticité et endommagement, en s’attachant particulièrement à décrire la phase de micro-amorçage, a été développé. L’identification et la validation du modèle ont été réalisées à partir d’une base de données expérimentales conséquente sur l’AM1 et sur les essais sur éprouvettes perforées réalisés au cours de ce travail. Afin de prendre en compte les effets de gradient dans les zones à forte concentration de contrainte, la méthode de moyenne volumique a été appliquée avec ce modèle et a fourni des résultats encourageants
The AM1 superalloy blades of aeronautical High Pressure turbines are cooled by a complex system of micro-channels, located at the leading edge and near the trailing edge. These micro-channels constitute preferential sites for damage and crack initiation, phenomena which have to be taken into account in the design of turbine blades. The aim of this work was, first, to carry out an experimental study on perforated specimens with different hole diameters. The effect of the stress gradient on the crack initiation (300 µm criterion for the crack length) has been demonstrated qualitatively as well as quantitatively. However, the use of a maximum stress (or maximum strain) criterion is not sufficient as a failure criterion since it overestimates the risk of failure and does not take into account the length scale or geometrical effects. A volume average method has been proposed in order to take into account the stress gradient effect in the lifetime calculation. It has significantly improved the lifetime predictions. At the same time, an anisotropic fatigue damage model has been developed. In this model, plasticity is coupled with damage in order to describe the micro-initiation stage. The model identification and validation have been realised with respect to existing experimental data on unperforated samples and on the results of the experimental campaign carried out in this work, on perforated specimens. Finally, in order to take into account the stress gradients in the high stress concentration regions, the volume average method has been applied to the results obtained with the previously described model and has provided encouraging results

L'objectif de cette thèse est le développement d'un modèle de calcul de l'écoulement visqueux se développant sur une aube de turbine en présence de film de refroidissement. Le refroidissement des étages haute pression des turbines aéronautiques est assuré par des injections discrètes de fluide froid à la paroi des éléments les constituant. La puissance actuelle des calculateurs ne permet pas un calcul complet de tels écoulements. Nous avons développé un modèle de calcul de l'écoulement visqueux se développant sur une aube de turbine en présence d'une ou plusieurs rangées de jets discrets. La périodicité de l'écoulement est utilisée pour réaliser un couplage entre un calcul de l'écoulement moyen transversal et un moèle de calcul de jets. Les équations tridimensionnelles sont integrées spatialement sur la distance séparant deux jets consécutifs. Des équations bidimensionnelles, moyennes en espace, sont obtenues. Elles contiennent des termes sources traduisant la présence des jets. Les termes sources sont determinés à l'aide du modèle de calcul de jets. Réciproquement, l'écoulement transversal, nécessaire à la réalisation du calcul de jets, est déduit du calcul de l'écoulement moyen. Les résultats présentés montrent que le comportement global d'un jet unique est correctement reproduit par le modèle. L'application de la méthode au traitement d'une rangée de jets se développant sur plaque plane permet d'obtenir le champ de vitesse tridimensionnel de l'écoulement. Cependant les limites de la méthode, notamment sur le plan thermique sont clairement mises en évidence. Enfin, l'évolution géometrique des jets disposés en rangée sur l'extrados d'une aube de turbine est correctement reproduite par le calcul
The aim of this thesis is the development of a computational method to simulate the development of viscous flow on a turbine blade with film cooling. Blade cooling is often achieved with tows of discrete jets of cold fluid introduced at the wall. At present, full three-dimensional calculations do not allow the treatment of such complex flows. A method has been developed to compute the blade boundary layer with discrete jets. The flow is assumed to be periodic. The three-dimensional equations are space averaged over the distance between two consecutive jets. The resulting two-dimensional equations contain source terms which take into account the jets. These terms are given by an integral jet calculation. The jet computation is achieved with the space averaged flow as an external transverse flow. The results show that the global jet behaviour is well calculated for a single jet. Results are also presented for a row of jets emerging on a flat palte. Although the predicted velocity field is in a good agreement with measurements, the method is not able to reproduce the correct thermal field. The model also predicts the correct geometrical jets evolution for a row injected on the suction side of a trubine blade

L’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique entraîne de nouveaux besoins chez les exploitants de centrales hydroélectriques. Ainsi, les fabricants de turbines hydrauliques doivent garantir des plages de fonctionnement de plus en plus étendues, afin d’assurer une plus grande flexibilité d’utilisation des machines. Pour les turbines Francis, un fonctionnement en-dehors des conditions nominales implique potentiellement une augmentation des sollicitations mécaniques, notamment à faible débit (charge partielle). Cette hausse est due à l’apparition de phénomènes hydrauliques dans l’écoulement, dont notamment les vortex inter-aubes. Pour garantir des plages de fonctionnement étendues à leurs clients, les fabricants se doivent de maîtriser l’impact de telles conditions d’opération sur la durée de vie de leurs machines. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’écoulement complexe dans la turbine et son impact mécanique à charge partielle. Dans ce contexte, cette thèse a une double approche expérimentale et numérique. L’analyse se base sur des mesures et des observations réalisées lors d’essais sur modèles réduits. Elles ont permis de corréler les phénomènes hydrauliques observés et l’évolution des fluctuations de pression et des déformations dynamiques mesurées, pour différents points de fonctionnement. Ces résultats ont notamment été utilisés pour estimer le phénomène de fatigue lors du fonctionnement continu d’une turbine à très faible charge. La simulation numérique des fluides (CFD) a également été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la formation des vortex inter-aubes, et pour prédire le chargement dynamique qui s’exerce sur la roue à charge partielle. La validation des résultats numériques est basée sur la comparaison avec les données expérimentales issues des précédents essais sur modèles réduits
The integration of renewable energies into the electricity grid brings new needs for hydro power plant operators in terms of how they are operated. Consequently, hydraulic turbine manufacturers are required to extend their machine’s operating range in order to increase their flexibility. In the case of Francis turbines, dynamic stresses could increase in off-design conditions due to several hydraulic phenomena that appear in the flow, especially at partial load. One of them is the development of inter-blade vortices in the runner. In order to guarantee an extended operating range manufacturers have to control the impact of such operating conditions on their turbines lifetime. Therefore, a better understanding of complex partial load flows and their mechanical impact on the turbines is needed. In this context, this thesis uses both experimental and numerical approaches. Reduced scale model turbines were tested in order to correlate hydraulic phenomena observed in the flow and the evolution of pressure and strain fluctuations for different operating points. The results were then used to estimate the turbine fatigue in partial load conditions. Computational Fluid Dynamics was also used to better understand the formation of inter-blade vortices and to predict the dynamic loading on the runner at partial load. These numerical results were validated by comparison with the experimental data from the previous test rig measurements and observation campaigns

Afin de contribuer au développement des connaissances et de l’industrie des énergies renouvelables hydrocinétiques, un nouveau projet de recherche à long terme a débuté récemment au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Ce projet porte sur l’optimisation de la configuration des parcs de turbines hydroliennes. Comme les techniques de modélisation se rapportant aux parcs de turbines n’ont été que peu étudié au LMFN par le passé, les objectifs du présent travail sont d’identifier une méthodologie de modélisation numérique permettant l’étude de parcs hydroliens à coût de simulation raisonnable et d’en vérifier la fiabilité. Inspirée de modèles numériques retrouvés dans la littérature scientifique disponible, une approche originale a été développée. Elle porte le nom de Effective Performance Turbine Model, ou EPTM. La fiabilité de cette approche de modélisation est évaluée par rapport à sa capacité à prédire correctement les performances moyennes des turbines ainsi que leur sillage. Des résultats de simulations numériques « haute-fidélité » qui incluent à grand coût la géométrie complète des turbines sont utilisés en guise de référence. La comparaison des prédictions de l’EPTM avec les résultats de référence démontre que cette approche de modélisation est appropriée tant pour les turbines à axe horizontale que celles à axe vertical opérant dans des conditions d’écoulement propre. En effet, de très bonnes prédictions de la vitesse de rotation optimale de la turbine, de son chargement moyen et de la puissance extraite sont obtenues avec l’EPTM. Le modèle permet aussi de bonnes prédictions du sillage rapproché de chacune des turbines étudiées. Par contre, l’approche stationnaire de modélisation de la turbulence utilisée au sein des simulations de l’EPTM se montre inefficace dans certains cas. De possibles raffinements au modèle sont discutés en guise de conclusion.
In order to contribute to the development of the hydrokinetic power industry, a new line of research has been initiated recently at the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. It is related to the optimization of turbine farm layouts. As the numerical modeling of turbine farms has been little investigated in the past at the LMFN, the objectives of this work are to develop a numerical methodology that will allow the study of turbine farm layouts at reasonable simulation cost and to verify its reliability. Inspired from numerical models found in the available literature, an original modeling approach is developed. This modeling approach is referred-to as the Effective Performance Turbine Model, or EPTM. The EPTM reliability is assessed in terms of its capacity to predict correctly the mean performances and the wake recovery of the turbines. The results of “high-fidelity” CFD simulations, which include at high cost the complete rotor geometry, are used as a reference. Results of the performance assessment show that the EPTM approach is appropriate for the modeling of both axial-flow (horizontal-axis) turbines and cross-flow (vertical-axis) turbines operating in clean flow conditions. Indeed, the EPTM provides very good predictions of the value of the optimal angular speed at which the rotor should be rotating to operate near maximum power extraction, the magnitude of the mean forces acting on the turbine and the mean power it extracts from the flow. The EPTM also succeeds to generate the adequate nearwake flow topology of each of the reference turbine investigated. However, the steady turbulence modeling approach used in the EPTM simulations appears inadequate in some cases. Possible model improvements are discussed as a conclusion.

En phase d’avant-projet d’une turbine à gaz, les outils de calcul des performances transitoires doivent aujourd’hui intégrer une représentation simple et générique de phénomènes multi physiques instationnaires complexes. Ce travail de thèse tente de répondre à cette problématique et porte en particulier sur l’imprégnation thermique des parois des turbomoteurs, phénomène qui pénalise les capacités d’accélération de ces systèmes. La modélisation du phénomène d’imprégnation thermique a été menée à l’aide de la méthode nodale. Cette approche système a permis d’élaborer des modèles d’échange de chaleur simples pour chaque composant du moteur. Après une analyse fine des conditions d’écoulements et des géométries présentes dans une turbine à gaz, des lois issues d’études expérimentales ont été retenues pour modéliser les échanges convectifs et radiatifs. Un périmètre géométrique et une étude de sensibilité au maillage ont permis de limiter la taille des modèles développés sans caricaturer le phénomène physique décrit. Une validation des modèles d’échange de chaleur a été menée en comparant les températures de parois calculées à celles mesurées sur banc d’essais. L’intégration des modèles d’échange de chaleur dans le code de calcul de performances a permis de diminuer de façon importante les erreurs de prédiction des capacités d’accélération. Ceci reste valable pour l’ensemble du domaine de vol et pour différentes architectures et tailles de turbomoteurs. Enfin, pour mieux appréhender les erreurs résiduelles de prédiction, la sensibilité des performances aux déformations thermomécaniques et au rendement de combustion a également été abordée, modélisée et discutée
For a gas turbine preliminary design, the performances program has to simply integrate complex physical phenomena during transient conditions. This thesis addresses this issue and deals particularly with heat soakage, a transient effect which diminishes the gas turbine acceleration rate. The heat soakage modelling has been performed with the nodal method. This system approach enabled us to build simple heat transfer models for each engine component. After a detailed analysis of the air flow and the wall geometries characteristics usually found in a gas turbine, some laws, taken from experimental studies, have been used to model the convective and radiative heat transfers. A geometrical perimeter and a refining mesh study allowed us to reduce the models size without cartooning the described physical phenomena. A validation of the heat transfers model has been done by comparing the wall temperatures computed with those measured in a test bench. The update of the gas turbine performances program with the heat transfers models has diminished dramatically the prediction errors of the engine acceleration capabilities. This result is still valid within the whole flight envelope and for others turboshafts arrangements and several sizes. Eventually, in order to grasp the residual errors of prediction, the engine performances sensitivity to thermomechanical effects and combustion efficiency has been also studied

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015
Ce mémoire concerne l'étude aéroélastique des oscillations auto-soutenues en pilonnementtangage d'une aile portante montée sur des supports élastiques et exposée à un écoulement. De telles oscillations pourraient être utilisées afin de développer un nouveau type de turbine hydrocinétique relativement simple d'un point de vue mécanique. Ceci est possible car les oscillations qui résultent de l'interaction fluide-structure entre l'écoulement, l'aile et ses supports élastiques sont entretenues par un transfert d'énergie de l'écoulement vers la structure. Dans cette étude numérique, le logiciel OpenFOAM-2.1.x est utilisé afin de résoudre le problème aéroélastique. À l'aide de simulations instationnaires en deux dimensions d'un écoulement visqueux à nombre de Reynolds de 500 000, ce type de turbine est optimisé et amplement étudié afin de développer une meilleure compréhension de la physique en jeu. Suite à une optimisation de la turbine à l'aide d'une méthode de type gradients, des efficacités relativement élevées ont été obtenues. En effet, le cas optimal qui est présenté dans cette étude a une efficacité qui est de l'ordre de 34%. Cela correspond à une efficacité relativement élevée lorsqu'elle est comparée à l'efficacité d'une turbine hydrolienne cinématiquement contrainte qui est de l'ordre de 43%. Il faut noter que la version pleinement passive est mécaniquement beaucoup plus simple que la version cinématiquement contrainte. Un tel avantage mécanique peut, en soi, justifier pleinement une efficacité légèrement plus faible. De plus, la solution optimisée proposée dans ce mémoire n'est certainement pas unique et ne correspond pas au seul extremum du vaste espace paramétrique. En fait, d'autres solutions efficaces sont présentées dans ce mémoire et une optimisation complète autour de ces solutions demeure toujours à être effectuée. Dans tous les cas, ces réesultats démontrent le grand potentiel d'utiliser des ailes oscillantes pleinement passives en guise d'hydroliennes efficaces. D'un point de vue physique, ce mémoire met en valeur que le phénomène d'oscillations de cycle limite auquel l'aile est sujette est le résultat d'un flottement de décrochage. Cela est ainsi en raison de la forte interaction entre l'aile et les tourbillons largués pendant le grand décrochage dynamique. En fait, c'est spécifiquement cette interaction entre l'aile et les vortex qui donne lieu au mouvement de tangage. De plus, deux mécanismes responsables des bonnes performances de la turbine ont été mis en valeur. Ces mécanismes sont la synchronisation adéquate entre les deux degrés de liberté, ainsi que le mouvement non sinusoïdal en tangage.
This master's thesis deals with an aeroelastic problem that consists into self-sustained, pitchheave oscillations of an elastically-mounted airfoil. Such oscillations of an airfoil could be used in order to develop a novel fully-passive flow harvester that is relatively simple from a mechanical point of view. Indeed, the motion of an airfoil that is elastically mounted emerges as a result of the fluid-structure interaction between the flow, the airfoil and its elastic supports, and is sustained through a transfer of energy from the flow to the structure. In this numerical study, the OpenFOAM-2.1.x CFD toolbox is used for solving the aeroelastic problem. Through unsteady two-dimensional viscous simulations at a Reynolds number of 500,000, such a fully-passive turbine is optimized and extensively investigated to develop a better comprehension of the physics at play. Following a gradient-like optimization of the turbine, relatively high efficiencies have been obtained. Indeed, the optimal case found in this numerical study has a two-dimensional efficiency in the range of 34%. This is fairly high when compared to the two-dimensional efficiency of a kinematically-constrained turbine, which is in the range of 43%. Further, the fully-passive version of the turbine is far less mechanically complex than its kinematicallyconstrained counterpart. Alone, such a mechanical advantage could justify the slightly lower efficiency of the fully-passive turbine. Nevertheless, the optimized solution suggested within this thesis is certainly not the only local extrema of the vast parametric space pertaining to the aeroelastic device. Other efficient cases have been found, and complete optimizations about these solutions still need to be achieved. Overall, the results demonstrate the great potential of using fully-passive, flapping airfoils as efficient hydrokinetic turbines. From a more physical perspective, this thesis highlights the fact that the airfoil is undergoing limit-cycle oscillations as a result of stall flutter. This is because the interaction between the airfoil and the vortices shed during the dynamic stall events is large. In fact, it is specifically this interaction that mostly accounts for the pitching motion of the airfoil. Further, two fundamental mechanisms have been found to be very beneficial for enhancing the performances of the turbine. These mechanisms are the adequate synchronization between both degrees-offreedom, and the nonsinusoidal shape of the pitching motion.

Dans cette thèse, un modèle numérique a été proposé pour simuler la combustion liquide des carburants conventionnels et non-conventionnels, en particulier le mélange de biodiesel B20. La matrice de test numérique constitue de quatre cas d’écoulement réactifs c.à.d. avec combustion et d’un cinquième avec injection liquide sans combustion (écoulement non-réactif). Les modèles sont calculés à l’aide du logiciel FLUENT™ v.14 en 3D et a l’état stationnaire. Les flammes de diffusion turbulentes sont modélisées en utilisant l’approche de flammelette laminaire stable, avec une fonction de densité de probabilité jointe (PDF). La Validation est effectuée en comparant les mesures expérimentales disponibles avec les résultats obtenus de la CFD. L’aérodynamique de la chambre de combustion, ainsi que les températures de parois extérieures sont captures avec un degré de précision satisfaisant. La validation des principaux produits de combustion, tels que : CO2, H2O et O2, montre des résultats satisfaisants pour tous les cas d'écoulement réactifs, mais certaines incohérences ont été relevées pour les émissions de CO. On pense que le banc d'essai (la géométrie de la chambre de combustion et son état de fonctionnement) n'est pas suffisamment adéquat pour la combustion de combustibles liquides. D’autre part, et d’un point de vue numérique, l’approche de flammelette laminaire stable a été trouvé raisonnablement hors mesure de saisir les effets profonds du non-équilibre chimique qui sont souvent associés au processus de lente formation d’un polluant, comme le CO.
In this thesis, a CFD model was proposed to simulate the liquid combustion of conventional and non-conventional biodiesel fuels, in particularly the B20 biodiesel blend. The numerical test matrix consists of four reacting flow cases, and one non-reacting liquid fuel injection case. The models are computed using FLUENT™ v.14 in a 3D steady-state fashion. The turbulent non-premixed diffusion flames are modeled using the steady laminar flamelet approach; with a joint presumed Probability density function (PDF) distribution. Validation is achieved by comparing available experimental measurements with the obtained CFD results. Combustor aerodynamics and the outer wall temperatures are captured with a satisfactory degree of accuracy. Validation of the main combustion products, such as: CO2, H2O, and O2, shows satisfactory results for all the reacting flow cases; however, some inconsistencies were found for the CO emissions. It is believed that the test rig (combustor geometry and operating condition) is not sufficiently adequate for burning liquid fuels. On the other hand, from a numerical combustion point of view, the steady laminar flamelet approach was found not reasonably able to capture the deep non-equilibrium effects associated with the slow formation process of a pollutant, such as CO.

Le retour de chaleur est un phénomène bien reconnu pour entrainer le vieillissement prématuré et l’éventuelle défaillance des moteurs à combustion interne en condition post-arrêt. Les études de ces systèmes, plus particulièrement de la turbine à gaz, ont démontré la tendance de la chaleur à diffuser librement vers les sections, pièces et cavités (telle la chambre de combustion), plus froides du moteur, à partir du moment où les pièces rotatives s’immobilisent. Principalement composé de convection naturelle, le front de chaleur risque d’entrainer l’oxydation prématurée du carburant (cokage) demeuré dans les injecteurs supérieurs. Cette étude propose un modèle par mécanique des fluides numérique (MFN), capable de reproduire le retour de chaleur dans une chambre de combustion tubulaire modifiée, et d’évaluer ses conséquences sur le système de distribution de carburant. Le modèle numérique fera plus tard l’objet de validation par des tests expérimentaux, sur cette chambre équipée de masses complémentaires d’accumulation thermique.
Heat soak-back is a phenomenon observed in many thermal applications including internal combustion engines. Post shutdown studies of these systems, particularly gas turbines, have shown that a massive heat wave could diffuse in the engine causing potential damage. As moving parts in the engine immobilize, heat diffuses freely from hotter to colder sections, including cavities such as the combustor. Primarily composed of free convection, the heat front in the combustor may cause premature coking in the top dead center injectors as the buoyant hot air tends to reach the upper section of the combustor. The following investigation implies computational fluid dynamics (CFD) simulation in order to predict the thermal behaviour and magnitude of this soak-back phenomenon inside a modified can combustor test rig and its potential consequences on the fuel delivery system. The numerical model will eventually be validated using experimentations with this combustor equipped with complementary thermal accumulation masses.

Ce mémoire a comme objectif de prédire les performances d’une turbine modèle de type bulbe à l’aide de simulations numériques RANS k-ε. Tout d’abord, par des simulations numériques, on valide les éléments de la méthodologie les plus susceptibles d’influencer la qualité des résultats. Par la suite, on obtient la colline de rendement numérique et on analyse l’effet du jeu de bout d’aube ainsi que des jeux au moyeu sur la prédiction de performance. Les résultats indiquent que la colline de rendement numérique se compare bien à la littérature portant sur les turbines bulbes. On montre, de plus, que tenir compte du jeu de bout d’aube dans la simulation numérique diminue de manière significative le rendement prédit. L’impact des jeux au moyeu est cependant négligeable sur la prédiction de performance de la turbine. Finalement, une modification de l’aspirateur est proposée pour la suite du projet entrepris par le consortium de recherche.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués au sein du département de Génie Mécanique de l’Université Laval dans le cadre du projet « Impact modeling of Composite Aircraft Structure », IMCAS du Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale (CRIAQ). Le but de ces travaux était de créer une loi de comportement pour les composites tissés sec mous et de les implanter dans un élément coque reproduisant le comportement dynamique d’un croisement de fibres dans un pli typique sous impact balistique et en fonction de certains paramètres géométriques propres au tissé. La création d’une loi de comportement de l’usager dans le logiciel d’analyse par éléments finis Abaqus a été nécessaire pour mener à bien ce projet. La méthodologie de développement de la sous-routine de l’usager, qui définit le matériau tissé et est utilisée en conjonction avec l’élément shell S4R, est basée sur les récents travaux de Grujicic et al (1) et Shahkarami et al (2). La validation de ce modèle a été réalisée en vérifiant la validité de sa réponse à certaines sollicitations rencontrées dans des études simples d’impact. Le résultat final de ces tests numériques d’impact a permis de démontrer que nous obtenons des résultats similaires à ceux de Shahkarami pour les mêmes paramètres d’expérimentation. Enfin, après cette dernière validation, nous avons appliqué l’outil développé à l’étude, en dynamique explicite, de l’impact d’une pale de soufflante sur un caisson de confinement hybride. Ce caisson est composé d’une première couche intérieure en coque métallique et sur laquelle s’empilent plusieurs couches de kevlar. Tout au long de ce mémoire, nous avons détaillé toutes les hypothèses, les démarches et les outils utilisés pour réaliser ce travail. Nos résultats montrent finalement qu’il est possible de reproduire les phénomènes physiques à une échelle méso-mécanique lors d’un impact haute vitesse sur un matériau composite tissé multicouche tout en minimisant le temps de calcul nécessaire.
This thesis presents the work that has been carried out inside the Mechanical Engineering Department of Laval University within a CRIAQ project related to Impact Modeling of Composite Aircraft Structure (IMCAS). The main goal of this work was to develop a dry fabric model for ballistic impact application and to implement it into a shell element capable of reproducing the dynamic behavior of a yarn crossover point with due account of some specific geometric and material parameters. The development of a material user subroutine (VUMAT user subroutine) was necessary to carry out this project. The methodology employed for the development of the user subroutine to be used with the S4R shell element available in Abaqus is based upon the works of Grujicic et al (1) and Shahkarami et al (2). The validity of the mesomechanical model created was carried out in order to assess the accuracy of its behavior under elementary loadings. Subsequently, using the same parameters to set up the analysis, the developed model has been applied in simple impact problems in Abaqus to demonstrate that we are able to obtain the same results as in the work of Shahkarami (2) used as a reference. Finally, after this last validation, the model is used in the impact study of an aeronautical engine’s fan blade containment problem using a hybrid casing. In our problem the casing’s inner shell is metallic and multiple Kevlar fabric layers are wrapped around it to contribute to the energy absorption and containment of the fan blade debris released outward at high speed. In this thesis all the assumptions, process and tools necessary to carry out every analysis have been described in details. Our results demonstrate that it is possible to capture the physical phenomenon happening at the yarn’s mesoscopic level during a high-velocity impact on a dry fabric while minimizing the computation time.

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l'aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d'opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l'efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l'entrée de l’aspirateur ont été explorés à l'aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d'énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l'écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales.
Draft tubes play a crucial role in elevating the available energy extraction of hydroturbines. In this project, turbulent flows in the draft tube of a low-head bulb turbine were simulated using, among others, an advance hybrid LES/RANS turbulent model, called DDES, which can resolve portions of the turbulent spectrum. Providing appropriate inflow boundary conditions for such models is a challenging issue. In this regard, different inflow boundary conditions were tested, including axisymmetric 1D profiles, and unsteady 2D inflow profiles that take runner blade wakes and vortices into account. Artificial fluctuation at the inlet section of the draft tube was also included to mimic the turbulence existing after the runner. Simulations were conducted for two draft tube configurations of the BulbT project. For one of them, intensive comparisons with experimental data were done for two operating conditions, one at part load and another in the sharp drop-off portion of the efficiency hill after the best efficiency point. This allowed to assess the effectiveness and shortcomings of the adopted turbulence modeling and boundary conditions through their effects on the global and local quantities. The results showed that the runner-related vortical structures and wakes are appropriately resolved using stand-alone DDES simulation of the draft tube flows. This is achieved by applying unsteady 2D inflow profiles along with adopting low dissipation scheme for the convective term. Furthermore, the effects of applying artificial turbulence at inlet were explored using separation intermittency, two-point correlation, energy spectrum and Lagrangian coherent structure concepts. These analyses revealed that the type of inflow boundary conditions modifies the details of the flow and separation dynamics as well as patterns of the transport barriers in different regions of the draft tube. However, the global quantities such as recovery coefficient are not influenced by these local features.

Le présent mémoire a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes de perte dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour ce faire, l’écoulement dans un aspirateur caractérisé par une diminution abrupte du coefficient de récupération près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Une méthode avancée de modélisation de la turbulence, le DES, a été mise à l’essai, afin de déterminer les gains associés à une représentation plus fine des mouvements turbulents dans cette composante. Les requis méthodologiques liés à cette approche, notamment par rapport à la condition d’entrée, ont été explorés, dans le but de développer une meilleure expertise d’utilisation du DES. Il a été démontré que le profil de vitesse radiale imposé dans le plan d’entrée du domaine de calcul altère de façon significative l’écoulement en aval et les performances prédites. Avec le profil de vitesse radiale mesuré expérimentalement, l’allure de la courbe de performance de l’aspirateur a pu être assez bien reproduite avec l’approche de modélisation de la turbulence URANS. Toutefois, certains aspects des simulations ne concordent pas bien avec les mesures expérimentales, c’est notamment le cas de l’écart de débit entre les deux canaux de sortie. Il a été établi que les structures d’écoulement en rotation sous les aubes de la roue nécessitent une discrétisation spatiale et temporelle extrêmement fine pour éviter qu’elles se diffusent prématurément sous le plan d’entrée. Toutefois, au point d’opération considéré, leur influence sur les performances de l’aspirateur s’est avérée très faible. Les simulations DES et URANS de l’aspirateur où des conditions d’entrée axisymétriques ont été imposées ont prédit des performances similaires. Cependant, le DES permet de simuler une dynamique tourbillonnaire beaucoup plus riche, avec un maillage et un pas de temps similaire au URANS, tout en étant largement moins dépendant des quantités turbulentes modélisées imposées dans le plan d’entrée.
The work carried throughout this thesis has for objective to enhance losses predictions in hydraulic turbines draft tube. In order to acheive this, the flow in a draft tube charaterized by a sharp drop in the pressure recovery coefficient near the best efficiency point was studied. Detached Eddy Simulation (DES), an advanced turbulence modeling approach, was put to the test, in order to asses the gain attributable to a finer and more precise description of turbulent motions in this component. The numerical methods required associated to this approach, especially regarding the inlet boundary condition, were investigated. It was shown that the radial velocity profile specified at the inlet of the computational domain alters significantly the flow downstream and the predicted performance. With the measured radial velocity profile specified at the inlet of the draft tube, reasonnable agreement was found between URANS numerical results and experimental measurements of pressure recovery. However, some aspects of the numerical simulations does not agree well with experimental data. It is the case for flow imbalance between the two outlet bays. It was established that rotating flow structures underneath the runner blades require extremely fine grid and time step resolution to avoid their premature diffusion underneath the inlet plane. Nevertheless, at the studied operating point, their influence on draft tube performance was found to be very limited. DES and URANS simulations of the draft tube where axisymmetric inlet boundary conditions were imposed predicted similar pressure recovery. However, DES enables to simulate much more complex and rich turbulent motions, at a computational cost similar to the one of a URANS simulatation and with much less influence from the modeled turbulent quantities specified at the inlet plane.

L'objectif de cette etude est d'apporter une meilleure connaissance hydrodynamique et energetique de l'ecoulement turbulent et tridimensionnel genere par une turbine de rushton en cuve agitee munie de quatre chicanes verticales. Le probleme est aborde numeriquement. Deux codes de calcul: un bidimensionnel (2d) et un tridimensionnel (3d), fondes sur la resolution des equations locales de navier-stokes en regime turbulent, ont ete developpes. La turbulence est schematisee par un modele a deux equations de transport du type (k, epsilon). La resolution des equations est effectuee en variables premieres (vitesse, pression) par la methode des volumes finis. Des formulations originales concernant la discretisation des termes de production de la turbulence et des fonctions de parois ont ete introduites dans les codes afin de statisfaire numeriquement le bilan de l'energie totale. Les simulations effectuees se font a partir des conditions d'entree experimentales imposees explicitement au niveau de l'agitateur. L'analyse des resultats confirme la superiorite du code 3d developpe sans aucune simplification concernant la physique du probleme ou de la configuration geometrique etudiee. Cela apparait comme le seul moyen capable de prendre en consideration l'effet fortement tridimensionnel de l'ecoulement, induit par la presence des chicanes dans la cuve. Les informations obtenues sont tres completes tant qu'a l'echelle des structures locales des ecoulements qu'a celles des caracteristiques globales de l'agitation. Ces resultats concernent essentiellement les champs des vitesses moyennes, l'energie de turbulence, la dissipation visqueuse, les contraintes de reynolds, la longueur de melange et la viscosite effective. La comparaison avec les resultats experimentaux est satisfaisante

Les travaux présentés contribuent à la modélisation stochastique de la maintenance de systèmes mono- ou multi-composants à détériorations et à modes de défaillances multiples en environnement dynamique. Dans ce cadre, les contributions portent d'une part sur la modélisation des processus de défaillance, et d'autre part sur la proposition de structures de décision de maintenance intégrant les différents types d'information de surveillance en ligne disponible sur le système (état de détérioration mesuré ou reconstruit, état de l'environnement, ...) et le développement des modèles mathématiques d'évaluation associés. Les modèles de détérioration et de défaillances proposés pour les systèmes mono-composants permettent de rendre compte de sources de détérioration multiples (chocs et détérioration graduelle) et d'intégrer les effets de l'environnement sur la dégradation. Pour les systèmes multi-composants, on insiste sur les risques concurrents, indépendants ou dépendants et sur l'intégration de l'environnement. Les modèles de maintenance développés sont adaptés aux modèles de détérioration proposés et permettent de prendre en compte la contribution de chaque source de détérioration dans la décision de maintenance, ou d'intégrer de l'information de surveillance indirecte dans la décision, ou encore de combiner plusieurs types d'actions de maintenance. Dans chaque cas, on montre comment les modèles développés répondent aux problématiques de la maintenance de turbines et de parcs éoliens
The thesis contributes to stochastic maintenance modeling of single or multi-components deteriorating systems with several failure modes evolving in a dynamic environment. In one hand, the failure process modeling is addressed and in the other hand, the thesis proposes maintenance decision rules taking into account available on-line monitoring information (system state, deterioration level, environmental conditions …) and develops mathematical models to measure the performances of the latter decision rules.In the framework of single component systems, the proposed deterioration and failure models take into account several deterioration causes (chocks and wear) and also the impact of environmental conditions on the deterioration. For multi-components systems, the competing risk models are considered and the dependencies and the impact of the environmental conditions are also studied. The proposed maintenance models are suitable for deterioration models and permit to consider different deterioration causes and to analyze the impact of the monitoring on the performances of the maintenance policies. For each case, the interest and applicability of models are analyzed through the example of wind turbine and wind turbine farm maintenance

Ce travail de maitrise s’inscrit dans le cadre des activités de recherche du Laboratoire de Machines Hydraulique de l’Université Laval et a pour objectif la caractérisation de l’écoulement dans le canal d’entrée d’un modèle de turbine hydraulique de type bulbe. La représentation des champs de vitesses moyennes et des fluctuations sous différentes conditions d’opérations ont été obtenues en utilisant un système de mesure LDV. Un débalancement du débit et des structures tourbillonnaires dans le canal d’entrée ont été mises en évidence. La conception d’une géométrie d’obstacle provoquant une non-uniformité dans le canal d’entrée a été développée en tenant compte des prédictions de simulations numériques. Des simulations numériques de la machine complète en régime stationnaire et instationnaire selon deux configurations géométriques ont été menées pour déterminer l’influence des conditions d’entrée de l’écoulement sur les performances de la machine. Des comparaisons entre les quantités expérimentales et numériques ont été réalisées.
This work is part of the research activities of the Hydraulic Machines Laboratory of the Laval University and its objective is to contribute to the characterisation of the intake flow in a model of a bulb turbine. The representation of the mean velocity fields and the turbulent fluctuations under predefined operating conditions were obtained by the use of a LDV measurement system. Mass-flow imbalance and vortices in the intake channel were identified. The conception of an obstacle geometry causing a non-uniformity in the intake channel has been developed taking in consideration the predictions of numerical simulation. Numerical simulations of the complete machine for both steady and unsteady case were performed with and without obstacle in the intake channel. The objective of this process was to evaluate the influence of the intake flow condition on the turbine performances. Moreover, comparisons between experimental and numerical quantities were made.

L'implémentation des éoliennes à proximité des systèmes VOR (VHF Omnidirectional Range) est une préoccupation importante pour l'aviation civile. Les éoliennes constituent une source de multitrajets qui peuvent produire des erreurs sur l'information d'azimut estimée par le récepteur d'avion. Dans la littérature, l'erreur VOR est calculée à partir de paramètres multitrajets en utilisant l'expression analytique proposée par Odunaiya et Quinet. Dans cette thèse de doctorat, nous avons développé un modèle d'un récepteur IQ numérique qui peut reproduire la réponse d'un récepteur VOR lorsque les multitrajets varient dans le temps tout au long d'une trajectoire réaliste d'avion. Le Chapitre 1 présente les principes de base des systèmes : VOR conventionnel (VORC) et VOR Doppler (VORD). Le phénomène de multitrajets générés par les éoliennes à proximité des stations VOR est détaillé en présentant ses paramètres et certaines méthodes de modélisation associées qui existent dans la littérature. Un aperçu des récepteurs VOR est présenté en décrivant la structure classique d'un récepteur VOR et les étapes du traitement du signal appliquées afin d'extraire l'information d'azimut. Les expressions de l'erreur VOR proposées par Odunaiya et Quinet pour les systèmes VORC et VORD sont données et illustrées. Dans le Chapitre 2, nous présentons notre modèle de récepteur IQ numérique. Un générateur de séries temporelles au long d'une trajectoire réaliste d'avion est présenté. Un critère échantillonnage est également proposé pour être sûr de capturer toutes les variations de multitrajets dans l'espace. Le modèle de récepteur IQ numérique est détaillé en décrivant ses composantes. Afin d'analyser l'effet et dynamique de multitrajets sur le récepteur VOR, un test d'illustration est donné en comparant la réponse du modèle avec l'expression d'Odunaiya. Dans le Chapitre 3, le comportement de notre modèle de récepteur IQ numérique est analysé en le comparant avec un récepteur de calibration (R&S EVS300) à l'aide de deux mesures de laboratoire. La première mesure est effectuée dans la bande des fréquences VHF en traitant un multitrajet canonique. La seconde mesure est effectuée en utilisant des signaux en bande de base IQ générées à partir d'une simulation d'un scénario complexe. Les résultats des mesures montrent un bon accord entre les récepteurs. Une analyse critique de récepteur VOR est présentée dans le Chapitre 4. Pour le VORC, nous présentons une méthode permettant de déterminer le domaine de validité de l'expression statique d'Odunaiya afin de calculer l'erreur VOR. Pour le VORD, nous montrons que l'erreur VOR est sensible au type de démodulateur FM en développant et en validant une expression alternative de l'erreur Doppler analytique qui est cohérente avec notre démodulateur FM. Enfin, nous évaluons l'analyse de Bredemeyer qui indique que l'effet et des multitrajets sur le signal de référence doit être pris en compte dans le calcul de l'erreur VORD. Dans le Chapitre 5, nous proposons un modèle statistique d'erreur VOR dont les seuls paramètres sont les positions de l'avion et de l'éolienne et les autres paramètres suivent des distributions statistiques. Ce modèle permet de réduire le temps de simulation électromagnétique. Tout d'abord, nous déterminons les distributions statistiques associées aux paramètres multitrajets. Ensuite, la distribution statistique associée à l'erreur VOR est déduite. Enfin, nous effectuons des simulations de Monte Carlo pour évaluer les paramètres des distributions statistiques
The implementation of wind turbines close to VHF Omnidirectional Range (VOR) systems is an important concern for civil aviation. The wind turbines constitute a source of multipath that can yield bearing errors in the azimuth estimated by aircraft receivers. In the literature, the bearing error is computed from the multipath characteristics by means of the analytic expression proposed by Odunaiya and Quinet. In this PhD thesis, we have developed a digital IQ receiver model which can reproduce the response of a VOR receiver when the multipath change in time along a realistic aircraft trajectory. In Chapter 1, the basic principle of the Conventional VOR (CVOR) and Doppler VOR (DVOR) is pre-sented. The multipath phenomenon generated by the wind turbines in the vicinity of VOR stations is detailed by presenting its parameters and some associated modeling methods that exist in the literature. An overview of the VOR receivers is presented by describing the standard structure of a VOR receiver and the signal processing steps to extract the azimuth information. The analytical expressions proposed by Odunaiya and Quinet for the CVOR and DVOR systems are given and illustrated. In Chapter 2, we present our digital IQ receiver model. A time series generator along a realistic aircraft trajectory is presented. A sampling criterion is also proposed to be sure to capture all the multipath variations in space. The digital IQ receiver model is detailed by describing its components. In order to analyze the effect of multipath dynamics on the VOR receiver, an illustration test is given by comparing the receiver model response with the Odunaiya expression. In Chapter 3, the behavior of our digital IQ receiver model is analyzed by comparing with a calibration receiver (R&S EVS300) from two laboratory measurements. The first one is performed in the VHF frequency band for one canonical multipath. The second one is performed using baseband IQ signals in a complex scenario. The measurements results are shown a good agreement between receivers. A CVOR and DVOR analysis are given in Chapter 4. For CVOR, we present a method to determine the validity domain of the static Odunaiya expression for computing the bearing error. For DVOR, we show that the bearing error is sensitive to the type of FM demodulator by developing and validating an alternative expression of the analytic Doppler error which is consistent with our FM demodulator. Finally, we evaluate the analysis of Bredemeyer which indicates that the effect of multipath on the reference signal must be considered in the DVOR error computation. In Chapter 5, we propose a statistical model for the bearing error with which the only parameters are the aircraft and wind turbine positions and the other parameters follow statistical distributions. This model allows to reduce the electromagnetic simulation time. Firstly, we determine the statistical distributions associated with the multipath parameters. Secondly, the statistical distribution associated with the bearing error is deduced. Finally, we perform Monte Carlo simulations to assess the parameters of the statistical distributions

Cette thèse vise à formuler des méthodes innovantes de quantification d'incertitude (UQ) à la fois pour l'optimisation robuste (RO) et l'optimisation robuste et fiable (RBDO). L’application visée est l’optimisation des turbines supersoniques pour les Cycles Organiques de Rankine (ORC).Les sources d'énergie typiques des systèmes d'alimentation ORC sont caractérisées par une source de chaleur et des conditions thermodynamiques entrée/sortie de turbine variables. L'utilisation de composés organiques, généralement de masse moléculaire élevée, conduit à des configurations de turbines sujettes à des écoulements supersoniques et des chocs, dont l'intensité augmente dans les conditions off-design; ces caractéristiques dépendent également de la forme locale de la pâle, qui peut être influencée par la variabilité géométrique induite par les procédures de fabrication. Il existe un consensus sur la nécessité d’inclure ces incertitudes dans la conception, nécessitant ainsi des méthodes UQ et un outil permettant l'optimisation de form adapté.Ce travail est décomposé en deux parties principales. La première partie aborde le problème de l’estimation des événements rares en proposant deux méthodes originales pour l'estimation de probabilité de défaillance (metaAL-OIS et eAK-MCS) et un pour le calcul quantile (QeAK-MCS). Les trois méthodes reposent sur des stratégies d’adaptation basées sur des métamodèles (Kriging), visant à affiner directement la région dite Limit-State-Surface (LSS), contrairement aux methodes de type Subset Simulation (SS). En effet, ces dernières considèrent différents seuils intermédiaires associés à des LSSs devant être raffinés. Cette propriété de raffinement direct est cruciale, car elle permet la compatibilité de couplage à des méthodes RBDO existantes.En particulier, les algorithmes proposés ne sont pas soumis à des hypothèses restrictives sur le LSS (contrairement aux méthodes de type FORM/SORM), tel que le nombre de modes de défaillance, cependant doivent être formulés dans l’espace standard. Les méthodes eAK-MCS et QeAK-MCS sont dérivées de la méthode AK-MCS, et d'un échantillonnage adaptatif et parallèle basé sur des algorithmes de type K-Means pondéré. MetaAL-OIS présente une stratégie de raffinement séquentiel plus élaborée basée sur des échantillons MCMC tirés à partir d'une densité d'échantillonage d'importance (ISD) quasi optimale. Par ailleurs, il propose la construction d’une ISD de type mélange de gaussiennes, permettant l’estimation précise de petites probabilités de défaillance lorsqu’un grand nombre d'échantillons (plusieurs millions) est disponible, comme alternative au SS. Les trois méthodes sont très performantes pour des exemples analytiques 2D à 8D classiques, tirés de la littérature sur la fiabilité des structures, certaines présentant plusieurs modes de défaillance, et tous caractérisés par une très faible probabilité de défaillance/niveau de quantile. Des estimations précises sont obtenues pour les cas considérés en un nombre raisonnable d'appels à la fonction de performance
This thesis aims to formulate innovative Uncertainty Quantification (UQ) methods in both Robust Optimization (RO) and Reliability-Based Design Optimization (RBDO) problems. The targeted application is the optimization of supersonic turbines used in Organic Rankine Cycle (ORC) power systems.Typical energy sources for ORC power systems feature variable heat load and turbine inlet/outlet thermodynamic conditions. The use of organic compounds with a heavy molecular weight typically leads to supersonic turbine configurations featuring supersonic flows and shocks, which grow in relevance in the aforementioned off-design conditions; these features also depend strongly on the local blade shape, which can be influenced by the geometric tolerances of the blade manufacturing. A consensus exists about the necessity to include these uncertainties in the design process, so requiring fast UQ methods and a comprehensive tool for performing shape optimization efficiently.This work is decomposed in two main parts. The first one addresses the problem of rare events estimation, proposing two original methods for failure probability (metaAL-OIS and eAK-MCS) and one for quantile computation (QeAK-MCS). The three methods rely on surrogate-based (Kriging) adaptive strategies, aiming at refining the so-called Limit-State Surface (LSS) directly, unlike Subset Simulation (SS) derived methods. Indeed, the latter consider intermediate threshold associated with intermediate LSSs to be refined. This direct refinement property is of crucial importance since it enables the adaptability of the developed methods for RBDO algorithms. Note that the proposed algorithms are not subject to restrictive assumptions on the LSS (unlike the well-known FORM/SORM), such as the number of failure modes, however need to be formulated in the Standard Space. The eAK-MCS and QeAK-MCS methods are derived from the AK-MCS method and inherit a parallel adaptive sampling based on weighed K-Means. MetaAL-OIS features a more elaborate sequential refinement strategy based on MCMC samples drawn from a quasi-optimal ISD. It additionally proposes the construction of a Gaussian mixture ISD, permitting the accurate estimation of small failure probabilities when a large number of evaluations (several millions) is tractable, as an alternative to SS. The three methods are shown to perform very well for 2D to 8D analytical examples popular in structural reliability literature, some featuring several failure modes, all subject to very small failure probability/quantile level. Accurate estimations are performed in the cases considered using a reasonable number of calls to the performance function.The second part of this work tackles original Robust Optimization (RO) methods applied to the Shape Design of a supersonic ORC Turbine cascade. A comprehensive Uncertainty Quantification (UQ) analysis accounting for operational, fluid parameters and geometric (aleatoric) uncertainties is illustrated, permitting to provide a general overview over the impact of multiple effects and constitutes a preliminary study necessary for RO. Then, several mono-objective RO formulations under a probabilistic constraint are considered in this work, including the minimization of the mean or a high quantile of the Objective Function. A critical assessment of the (Robust) Optimal designs is finally investigated

L'objectif de cette thèse est de démontrer comment faire une analyse théorique de fatigue et de mécanique de la rupture d'une structure éolienne à l'axe horizontal. La chaîne des calculs nécessaires pour atteindre cet objectif s'avère être particulièrement longue pour deux raisons : d'abord, la vitesse du vent varie aléatoirement avec le temps ; deuxièmement, l'amplitude de vibration du mât est amplifié en raison des ses fréquences naturelles de vibration. Un chapitre entier est consacré à la modélisation de la vitesse du vent dans l'espace et dans le temps. Ce même chapitre démontre comment synthétiser un signal aléatoire à partir d'une fonction de densité spectrale de puissance (DSP). La force axiale du rotor est le chargement le plus important sur une structure éolienne à l'axe horizontal. Cette force a un rapport non linéaire avec la vitesse du vent. Cela implique la nécessité de déterminer la DSP de la force axiale à partir de son signal, en se servant d'une technique d'estimation spectrale. La méthode Thomson Multitaper s'est avéré la plus satisfaisante pour cette application. La DSP des déplacements du mât est déterminée en associant la réceptance du système structurel avec la DSP de la force qui représente tous les chargements. Un signal de contrainte peut finalement être synthétisé à partir de sa DSP. La technique de comptage de cycles de chargement connue sous le nom de rainflow est abordée et appliquée. Le fait que le signal de contraintes a une amplitude variable implique la nécessité d'employer une technique plus avancée de simulation de propagation de fissures. La technique choisie pour cette thèse est connue sous le nom de strip-yield (bande d'écoulement)
The objective of this thesis is to demonstrate how to do theoretical analyses of fatigue and fracture mechanics in a structure for horizontal axis wind turbine. The chain of calculations required to reach this objective is particularly long for two reasons : firstly, the wind speed varies randomly with time , secondly, the vibration amplitude of the mast is amplified due to its natural frequencies of vibration. A whole chapter is dedicated to modeling the wind speed in space and time. The same chapter shows how to synthesize a random signal by employing a power spectral density function (PSD). The axial force of the rotor is the most important loading on a structure for horizontal axis wind turbine. This force has a non linear relation with the wind speed. This implies the need to determine the PSD of the axial force from its signal, by employing a spectral estimation method. The Thomson Multitaper method revealed to be the most satisfactory for this application. The PSD of displacement of the mast is determined by associating the receptance of the structural system and the PSD of the force representing all loadings. Finally, a signal of stress can be synthesized from its PSD. The fatigue cycle counting method known as rainflow is discussed and employed. The fact that the signal of stress has a variable amplitude implies the need of a more sophisticated method to simulate a crack propagation. The method chosen in this thesis is called strip-yield

Ce mémoire traite de la problématique d’hybridation éolienne-hydrolienne. Elle pose d’abord l’hypothèse d’une éolienne basée sur une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) et une hydrolienne utilisant une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). Puis, elle présente la modélisation des différents éléments qui composent chacune des chaines de conversion, de la turbine à la connexion au réseau en passant par la machine électrique et les convertisseurs statiques. Des stratégies de commande y sont aussi développées. Celles-ci permettent d’extraire le maximum d’énergie tout en tenant compte des limites des systèmes. La thèse étudie également deux possibilités de couplage d’une éolienne et hydrolienne qui toutes deux utilisent une MSAP. Les résultats de simulation obtenus des modèles que nous avons développés dans l’environnement Matlab/Simulink/ SimpowerSystem permettent de valider les stratégies de commande utilisées et de conclure qu’un bon choix serait d’opter pour le couplage au niveau du bus continu
AThis thesis addresses the problem of wind-tidal turbines hybridization. It first raises the hypothesis of a wind turbine based on Synchronous Permanent Magnet Machine (PMSM) and a tidal using a Double-Fed Induction Generator (DFIG). So, it presents the modeling of different elements that make up each system studied, from the turbine to the network connection through the electric machine and static converters. Control strategies are also developed. These are used to extract the maximum energy while taking into account the limitations of the systems. The thesis also examines two possible coupling of wind and tidal turbines which both use a PMSM. The simulation results of the models that we have developed in Matlab / Simulink / SimpowerSystem allow to validate the control strategies and conclude that a good choice would be to opt for coupling to the DC bus

L'intégration des énergies renouvelable à l'échelle du réseau provoque de nouveaux paradigmes : la première et plus importante modification provient du fait que la puissance électrique produite n'est plus maîtrisée mais dépendante de l'incontinence des sources renouvelables. Cette irrégularité de la production par rapport à la consommation nécessite le stockage de l'énergie lorsqu'elle est produite afin de la mettre à disposition pour plus tard. Les sites de transfert d'énergie par pompage (STEP), ou centrales de turbinage-pompage, sont, par leur vitesse d'action, capacité de stockage et aspect respectueux de l'environnement, les principaux organes capable de satisfaire cette demande grandissante en stockage d'énergie à l'échelle du réseau.Durant cette thèse, le problème de modélisation et d'asservissement des régimes transitoires de ces sites est considéré du point de vue du groupe turbine : soit une turbine au sein d'un circuit hydraulique, quel est son comportement dynamique, et quelle méthode de contrôle permet d'assurer les meilleurs performances possibles du point de vue du temps de réponse et de la stabilité.Le manuscrit s'articule alors autour de quatre chapitres : le premier a pour but d'introduire plus finement les problématiques ainsi que la dynamique de ces sites. Le deuxième chapitre présente une méthode originale basée sur une étude graphique d'une modélisation simplifiée du système de turbinage au sein d'une conduite linéaire à section constante. Cette partie permet d'établir le temps minimum d'action de ces centrales de façon dépendante des performances de l'actionneur et de la topologie du site. Le troisième chapitre contient la principale contribution de ces travaux en terme de régulation d'un site de turbinage pompage : on y propose une régulation linéaire du circuit hydraulique dans lequel se fait l'écoulement de l'eau à travers l'utilisation d'un actionneur non-linéaire : la turbine. Enfin, afin de traiter des séquences particulière, le quatrième et dernier chapitre propose d'établir des trajectoires compatibles avec la dynamique et les contraintes issues de l'usage d'une turbine. Les trajectoires alors calculées permettent une plus grande maîtrise des phénomènes grâce à l'usage d'une fonction d'optimisation bien choisie et d'un retour d'état prédictif à horizon fini
The integration of renewables at the scale of the network causes new paradigms: the first and most important change is the fact that the electrical power is no longer under control but dependent of the incontinence of renewable sources. This irregularity of production over consumption requires the storage of energy when it is produced to make it available for later. Pump storage plant (PSP) or turbine-pump equiped plants, are by their speed of action, storage capacity and environmentally respectful aspect, the main organs able to satisfy this growing demand energy storage across the network.During this thesis, the modeling problem and enslavement of transients of these sites is considered from the perspective of the turbine group: given a turbine in a hydraulic circuit, what is its dynamic behavior, and what control method ensures the best performances from the standpoint of the response time and stability.The manuscript is then structured around four chapters: the first, aims to introduce more finely issues and a mathematical representation of th dynamic of these sites. The second chapter presents an original method based on a graphic study of a simplified model of the turbine system placed along a linear and constant section penstock. This section establishes the minimum time of action of these plants dependently of the actuator performance and topology of the site. The third chapter contains the main contribution of this work in terms of regulation of a pump storage site: it proposes a linear regulation of the hydraulic circuit in which is the flow of water through the use of a non-linear actuator: the turbine. Finally, to address particular sequences, the fourth and final chapter proposes establishing trajectories compatible with the dynamics and constraints resulting from the use of a turbine. Then the computed trajectories allow greater control of the phenomena through the use of a well chosen optimization function and a predictive with finite horizon state feedback