Academic literature on the topic 'Turbines hydrauliques – Modèles mathématiques'

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.

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.

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.

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.

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

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

Les travaux présentés portent sur l'étude du power take off d'un système houlomoteur. Celui-ci est constitué d'un ensemble de bassins connectés entre eux via des clapets souples assurant une circulation à sens unique. Les mouvements de la plate-forme sur laquelle le système est installé induisent un phénomène de ballottement du fluide présent dans ces bassins. Les vagues ainsi générées viennent alors alimenter une cuve cylindrique dont le fond est percé d'un orifice central. Le fluide injecté dans ce réservoir engendre un écoulement de type tourbillon de vidange, dont l’énergie cinétique est extraite par une turbine à axe vertical. La première phase de ces travaux se concentre sur l'étude expérimentale du tourbillon de vidange en écoulement stationnaire. L'évolution du champ de vitesse dans le bassin, avec et sans turbine, est étudié par particle image velocimetry (PIV). En parallèle, la puissance délivrée par la turbine et la hauteur d'eau dans le bassin sont mesurées. Ces résultats sont utilisés pour définir les hypothèses de départ pour la création d'un modèle numérique. La deuxième phase de ces travaux porte sur l'étude expérimentale du tourbillon de vidange en écoulement instationnaire. Un second dispositif de mesure est spécialement construit et instrumenté. Ce dernier permet de modéliser plus fidèlement l'écoulement rencontré dans le système houlomoteur. La méthode PIV est de nouveau utilisée. La dernière phase des travaux porte sur la modélisation numérique de la turbine à axe vertical. Le modèle développé se fonde sur la théorie des écoulements potentiels et prend en compte les effets 3D. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats expérimentaux
The present work aims at studying the power take-off of a wave energy converter (WEC). This system is composed of a set of connected tanks. Rubber flaps are installed at tanks inlet and outlet to ensure a one-way flow direction. Thanks to wave induced motions of the supporting platform, sloshing appears inside the WEC tanks which feed a cylindrical basin with a centered drain hole at its bottom. Then, a bathtub vortex flow appears within this tank, where a vertical axis turbine is installed to harvest kinetic energy from the flow. The first phase of this research focuses on studying the steady bathtub flow. To do so, a dedicated experiment is built. Velocity field within the cylindrical basin, with and without the turbine, is studied via Particle Image Velocimetry (PIV). In addition, power production from the turbine and water level inside the tank are measured. These results are used to define starting hypothesis for developing a numerical model of the turbine. The second phase of this research focuses on studying the unsteady bathtub flow. For this purpose, a second experiment is built. This setup provides a more realistic environment, closer to what can be observed with the WEC system. PIV measurements are also used extensively to study the flow with and without the turbine. The last stage of this research focuses on the numerical modelling of the vertical axis turbine. The model is based on the potential flow theory. First, a two-dimensional approach is used to validate the early pieces of the model. Secondly, a three-dimensional approach is adopted to account for more complex flow features. Finally, numerical and experiment results are compared