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Dissertations / Theses on the topic 'Turbines hydrauliques'
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Alnaga, Ahmed. "Conception optimale du tracé hydraulique des turbines Francis." Grenoble INPG, 2006. http://www.theses.fr/2006INPG0163.
Full textAbstract:
Devant le nombre de degré de liberté disponible dans le choix d'une nouvelle conception d'une turbomachine ou dans l'amélioration d'une machine existante. Il est aujourd'hui nécessaire de développer des techniques de conception et d'optimisation à base d'outils mathématiques permettant l'intégration efficace des méthodes et outils développées dans le dimensionnement et l'analyse des écoulements internes. Ces techniques permettent alors la recherche des meilleurs compromis conduisant à une conception optimisée. Mon travail recherche m'a permis de mettre au point une technique de tracé et d'optimisation de la géométrie des turbines FRANCIS. Cette technique est basée sur une paramétrisation géométrique de tous les éléments de la turbine (bâche avant-distributeur, directrices, roue et aspirateur). L'écoulement est ensuite estimé avec des logiciels de CFD et une fonction objectif définie à partir des performances recherchée pour la machine est évaluée à partir de l'écoulement calculé. Cette fonction objectif est donc une fonction non linéaire des paramètres qui ont servis à paramétriser la géométrie. Son optimisation est alors possible en utilisant, par exemple des algorithmes génétiques. Pour mettre en œuvre une telle optimisation, il est nécessaire d'automatiser l'ensemble du processus grâce à des scripts informatiques, pour construire la géométrie de la turbine à partir des paramètres, puis un maillage robuste des domaines de calcul. Le calcul CFD, avec le post-processing qui permet d'estimer la fonction objectif, sont ensuite exécutés automatiquement pour compléter un cycle de calcul. J'ai mis au point une telle technique d'optimisation pour toute la partie "haute pression" de la turbine. Pour la roue, une technique "manuelle" d'optimisation, beaucoup plus rapide que l'automatique, a été utilisée (5 à 10 itérations à comparer avec 150 à 200 calculs pour la méthode automatique)Because of the higher number of parameters available in the choice of a new design of a turbomachinery or in the improvement of an existing machine. It is today necessary to develop techniques of design and optimization based on mathematical tools allowing the effective integration of the methods and tools developed in dimensioning and in the analysis of the internal flows. These techniques then allow the research of the best compromises leading to an optimized design. My research work enabled me to develop a technique of design and optimization of FRANCIS turbines. This technique is based on a geometry parameterization of ail the elements of the turbine (Spiral-Casing, distributor, runner and draft tube). The flow is then estimated with software of CFD and a function objective defined starting from the performances sought for the machine is evaluated starting from the calculated flow. This function objective is thus a nonlinear function of the parameters which were used for geometry parametrization. Its optimization is then possible while using, for example genetic algorithms. To make an optimization, it is necessary to automate the whole of the process thanks to data-processing scripts, to build the geometry of the turbine starting from the parameters, with a robust grid for the domain calculations, Then Calculation CFD, with the postprocessing which makes it possible to estimate the function objective, are then carried out automatically to supplement a cycle of calculation. I developed such a technique of optimization for ail the part "high pressure" of the turbine. For the runner, a "manual" technique of optimization, much faster than the automatic, was used (5 to 10 iterations to be compared with 150 to 200 calculations for the automatic method). This technique was tested successfully for two examples of turbine Francis, one at slow specific speed (nq=48), the other rapid (nq=81)
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Bélanger-Vincent, Philippe. "Simulations avancées de l'écoulement turbulent dans les aspirateurs de turbines hydrauliques." Thesis, Université Laval, 2010. http://www.theses.ulaval.ca/2010/27467/27467.pdf.
Full text
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Labassi, Kamel. "Contribution a la maitrise du dimensionnement des turbines hydrauliques "banki-mitchell"." Paris, ENSAM, 1987. http://www.theses.fr/1987ENAM0005.
Full textAbstract:
Dimensionnement d'une turbine hydraulique de type banki-mitchell. Etude de l'ecoulement en fluide parfait au travers de la roue. Puissance effective. Hauteur de chute. Application a des micro-centrales hydrauliques
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Labassi, Kamel. "Contribution à la maîtrise du dimensionnement des turbines hydrauliques "Banki-Mitchell"." Grenoble 2 : ANRT, 1987. http://catalogue.bnf.fr/ark:/12148/cb37606696b.
Full text
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Tolea, Mugur Florin. "Analyse théorique et expérimentale des nouvelles techniques de régulation des turbines hydrauliques : application à des turbines Francis." Grenoble INPG, 1998. http://www.theses.fr/1998INPG0174.
Full textAbstract:
Les modeles utilises actuellement pour la regulation des turbines hydrauliques sont souvent tres simplifies et ne permettent de prevoir avec precision suffisante le comportement des systemes de controle - commande, lorsque les conditions d'exploitation evoluent entre des situations extremes. Pour palier a cette difficulte, la caracterisation exacte et coherente sur le plan theorique et experimental du systeme hydroelectrique complet en s'appuyant sur les caracteristiques hydromecaniques intrinseques reelles des differents elements du groupe, doit permettre de representer le comportement statique et dynamique global dans ces conditions de fonctionnement fortement non-lineaire. L'objectif de la these a ete de mettre au point un tel modele pour les turbines francis et de proposer des algorithmes evolues d'optimisation de la loi de commande des systemes de regulation en vitesse. La demarche suivie par m. Mugur tolea a consiste a developper un modele parametrique des pertes internes dans la turbine. L'identification des parametres du modele est realisee a partir des donnees experimentales (colline de rendement). De nouvelles techniques de regulation a vitesse fixe ou variable ont en suite ete mise en uvre. Elles sont basees sur des outils specifiques a la commande intelligente combinant les reseaux neuronaux et la logique floue. Cette nouvelle approche a ete testee et validee sur une boucle experimentale de la laboratoire avec une turbine de 5 kw. La transposition a une configuration reelle de centrale hydroelectrique de 86 mw a ete realisee en liaison avec la societe hydro vevey. Les resultats sont tres positifs et la transposition de cette approche a d'autres types de turbines hydrauliques est envisagee.
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Mohamed, Amgad. "Modélisation et contrôle des turbines hydrauliques pour l'intégration des sources d'énergies renouvelabless." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAT027.
Full textAbstract:
Récemment, les sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire, sont devenues des éléments essentiels des réseaux électriques en tant qu’alternatives d’énergie propre aux combustibles fossiles. Cependant, la qualité de la production de telles ressources énergétiques dépend de différents facteurs incertains, tels que les conditions météorologiques. Par conséquent, la gestion intermittente des sources d’énergie renouvelables est l’un des principaux défis à relever pour une utilisation à plus grande échelle.Une solution possible pour réduire les effets de l'intermittence des ressources énergétiques sur la production d'énergie et la stabilité du réseau consiste à utiliser les technologies de stockage d'énergie. Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) semblent être la méthode de stockage propre unique qui peut être utilisée pour lutter contre la nature intermittente de l’énergie éolienne et solaire. Les STEP utilisent des pompes-turbines réversibles pouvant fonctionner comme des pompes pour stocker l'excès d'énergie électrique dans le réseau et comme des turbines pour générer de l'énergie électrique, lorsque davantage d'énergie électrique est nécessaire. Ainsi, les STEP aident à stabiliser le réseau en présence de ressources en énergies renouvelables intermittentes.Ce travail met l’accent sur les conditions de fonctionnement de la turbine pour le démarrage des STEP. Dans les STEP, la condition de fonctionnement de démarrage est généralement visitée plusieurs fois, à la suite d'un basculement entre les modes de pompage et de turbine. Ainsi, l'amélioration des performances des régulateurs de vitesse utilisés pour le démarrage devient plus importante lorsque l'on traite avec des STEP afin de permettre une récupération rapide de la tension.Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet pluridisciplinaire INNOVHYDRO, qui regroupe différents laboratoires et entreprises tels que, GIPSA-lab où cette thèse a été préparée, G2Elab, GE et EDF.Dans cette thèse, une architecture de contrôleur prenant en compte les limitations informatiques des microcontrôleurs existants utilisés chez GE est proposée. Elle apporte une solution au problème du démarrage rapide de la turbine tout en évitant l'excitation de fortes oscillations de pression. De plus, les contraintes de couple s'intègrent facilement pour permettre un démarrage en douceur, ce qui réduit la fatigue des composants mécaniques, résultant du démarrage répétitif des turbines.Des solutions sont proposées pour ajuster les gains du contrôleur, tout en tenant compte de la dynamique non linéaire de l'actionneur utilisé chez GE. Pour commencer, une méthodologie de réglage est décrite pour garantir la stabilité asymptotique et les performances en boucle fermée, tout en minimisant la limite supérieure de l'erreur de suivi en sortie. De plus, une approche d'optimisation systématique est développée pour sélectionner les gains du contrôleur afin de minimiser le temps nécessaire pour obtenir une connexion stable au réseau, tout en respectant les contraintes de couple maximales. De plus, des algorithmes sont utilisés pour choisir les paramètres du contrôleur de sorte que des certificats de robustesse soient obtenus sur le contrôleur résultant.De plus, un simulateur a été développé pour les centrales hydrauliques et utilisé pour tester le contrôleur proposé. Le simulateur est constitué d’un système d’équations différentielles continues qui modélisent systématiquement le comportement des différents composants de la centrale hydraulique, tels que les conduites forcées, les tunnels, les réservoirs et les cheminées d’équilibre. De plus, le comportement non linéaire et les caractéristiques en S des régions instables des turbines hydrauliques, généralement modélisées par des diagrammes de Hill, sont pris en compte avec succès. De plus, la dynamique non linéaire de l'actionneur est incluse dans le modèle mathématique completRecently, renewable energy resources such as, wind and solar energy, have become integral parts of electric grids as clean energy alternatives to fossil fuels. However, the quality of production of such resources of energy depends on different uncertain factors, for instance, weather conditions. Therefore, dealing with the intermittent nature of renewable energy resources is one of the main challenges when using them on a larger scale.A possible solution to reduce the effects of energy resources intermittency on energy production and grid's stability, is to use energy storage technologies. Pumped storage power plants (PSPs) seem to be the unique clean storage method that can be used to counteract the intermittent nature of wind and solar energy. PSPs make use of pumps-turbines which are capable of working as pumps to store excess electric energy in the grid, and as turbines to generate electric energy, when more electric energy is needed. Thus, PSPs help in stabilizing the grid in the presence of intermittent renewable energy resources.The emphasis in this work is on turbine start-up operating mode for PSPs. In PSPs, the start-up operating mode is usually visited multiple times, as a result of switching back and forth between pumping and turbine modes. Thus, enhancing the performance of the speed governors used for starting-up becomes more important when dealing with PSPs to enable a rapid voltage recovery.This PhD thesis is part of the multidisciplinary INNOVHYDRO project that includes different laboratories and enterprises such as, GIPSA-lab where this thesis was prepared, G2Elab, GE and EDF.In this thesis, a controller architecture that takes into account the computational limitations of existing microcontrollers in use at GE, is proposed. It provides a solution to the problem of fast turbine start-up, while avoiding the excitation of sharp pressure oscillations. In addition, torque constraints are easily integrated to achieve smoother start-up, which reduces the fatigue of the mechanical components, resulting from repetitive start-up of turbines.Different approaches are proposed to tune the controller gains, while taking into account the nonlinear dynamics of the actuator used at GE. To begin with, a tuning methodology is outlined to guarantee the asymptotic stability and the closed-loop performance, while minimizing the guaranteed upper bound on the output tracking error. In addition, a systematic optimization approach is developed to select the controller gains to minimize time needed to get a stable start-up, while respecting maximum torque constraints. Moreover, randomized algorithms are used to choose the controller parameters such that robustness certificates are obtained on the resulting controller.Furthermore, a simulator has been developed for hydraulic power plants and used to test the proposed controller. The simulator constitutes of a system of continuous differential equations, which systematically model the behavior of the different components of the hydraulic power plant such as, penstocks, tunnels, reservoirs and surge tanks. In addition, the nonlinear behavior and unstable regions 'S-characteristics' of hydraulic turbines, usually modeled by Hill charts, are successfully taken into consideration. Moreover, the actuator's nonlinear dynamics are included in the overall mathematical model
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Kenyery, Frank. "Etude théorique et expérimentale des turbines hydrauliques axiales de grande puissance spécifique." Paris, ENSAM, 2000. http://www.theses.fr/2000ENAM0027.
Full textAbstract:
Le but de cette recherche est le développement d'une méthodologie de dimensionnement et d'analyse des performances des turbines hydrauliques axiales de grande puissance spécifique (THAGPS). Ce type de machine est utilisé lorsqu'on a besoin en même temps d'une grande puissance, d'un encombrement réduit et d'une grande capacité de régulation. La THAGPS nécessite un nouveau tracé du rotor constitué d'aubes courtes (envergure radiale petite) et sans vrillage (l'angle de calage du profil est constant sur toute la hauteur d'aube). D'autre part, le choix d'un degré de réaction nul pour les étages de turbine à l'avantage principale de conduire à une machine pour laquelle la poussée axiale du rotor est pratiquement nulle. La turbine axiale de plus grand puissance spécifique est une turbine ayant un degré de réaction proche de zéro. Les résultats expérimentaux de la maquette essayée (mono-étage à 50% de réaction) ont mis en évidence la grande influence du nombre de Reynolds sur les performances. La puissance spécifique, le rendement maximal et la zone d'opération à rendement maximal varient fortement avec la vitesse de rotation. L'anlayse des performances de la THAGPS exige l'évaluation précise de l'influence du nombre de Reynolds sur la déflexion et les pertes hydrauliques. Dû à la complexité de l'écoulement, cette évaluation est basée sur une simulation numérique tridimensionnelle, de manière à calculer directement les différentes pertes hydrauliques qui se produisent dans un étage.
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Belhaj, Tarik. "Contribution à la conception des petites turbines hydrauliques : colline d'essais, avant-projet et tracé de roue." Lyon 1, 1989. http://www.theses.fr/1989LYO10197.
Full textAbstract:
L'objet de ce programme de travail est de creer un certain nombre d'outils informatiques, sur micro-ordinateurs, susceptibles d'aider les constructeurs de petites turbines hydrauliques. Apres consultation de la presque totalite des fabricants francais de petites turbines, deux themes de recherche et developpement ont ete retenus. Le premier axe de developpement est la creation d'un outil permettant l'etablissement rapide et automatique d'un avant-projet d'une petite centrale hydroelectrique. Cet outil devrait permettre de rechercher la meilleure adaptation des groupes hydroelectriques a un site a equiper, de fournir les cotes principales des machines et de la centrale, et dans sa phase finale, d'editer un document presentant l'implantation de l'avant-projet sur le site. L'etude consiste a batir une structure informatiuqe sur un certain nombre de schemas types, chaque fabricant devant la personnaliser suivant ses fichiers hydrauliques et de fabrication, et ses plans d'avant-projet. Le deuxieme axe de developpement consiste a definir une conception informatisee de la machine sur une structure globale et simplifiee, chaque constructeur devant introduire a l'interieur de cette maquette les methodes qui lui sont propres, issues de son experience et de son savoir-faire. La faisabilite de cette demarche sera etudiee pour les turbines francis
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Tonot, Yohan. "Amélioration de l'écoulement dans un banc d'essai de turbine hydraulique à l'aide de la CFD." Master's thesis, Université Laval, 2020. http://hdl.handle.net/20.500.11794/66693.
Full textAbstract:
Ce projet de maîtrise a pour but d'améliorer l'uniformité de l'écoulement en entrée de turbine dans le banc d'essai du Laboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l'Université Laval. Pour cela, une approche numérique a été utilisée. Diverses simulations numériques de ce banc d'essai ont été réalisées sur le logiciel de simulation numérique ANSYS CFX, afin de permettre la comparaison de différentes solutions techniques. Une simulation utilisant l'approche URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) avec un modèle de turbulence k-e a d'abord été réalisée pour analyser le comportement de l'écoulement dans le banc d'essai initial du laboratoire. La validation de ce modèle est basée sur un travail antérieur donnant le comportement expérimental de l'écoulement en certains endroits dans le banc d'essai, en amont d'une turbine bulbe. Cette simulation a montré qu'une modification majeure de l'amenée aurait un effet bénéfique sur l'écoulement. Les autres simulations, utilisant une approche RANS (Reynolds Average Navier-Stokes), ont servi à comparer différentes solutions technologiques envisageables selon la littérature pour une application dans le banc d'essai, et qui seraient, à priori, bénéfiques pour la stabilité de l'écoulement. L'analyse de diverses caractéristiques de cet écoulement a permis de mettre en avant deux solutions aux résultats prometteurs dans ces conditions d'expérimentation, à savoir l'installation d'un coude avec deux aubes directrices avant la section d'essai, et l'installation d'une plaque stabilisatrice d'écoulement dans un tuyau droit en amont de la turbine. Cette dernière solution est celle qui aura été retenue par le LAMH pour son nouveau projet de recherche : Tr-Francis.The objetive of this project is to improve the uniformity of the inlet flow of a turbine within the test bench of the Laboratory of Hydraulic Machines, LAMH, of Université Laval. For this purpose, a numerical approach has been employed. Several numerical simulations have been carried out on the software "ANSYS CFX" and compared with one another, after validation of the simulation conditions and assumptions. A simulation using the URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) approach with a turbulence model k-e was first used to analyze the flow behavior in the original test bench installed in the laboratory. The validation of the model is based on a previous project giving the experimental flow behavior at certain locations in the test bench upstream a bulb turbine. The simulation showed that a major change in the configuration upstream of the turbine in the test bench would be beneficial on the effect it has on the flow. Other simulations using the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) approach compared several technological solutions for application in the modified test bench, which, according to the literature, would be beneficial for flow stability. The analysis of various flow characteristics higlighted two potential solutions in this situation : the installation of a curved pipe with two guided vanes upstream of the test section, or the installation of a flow stabilizer plate in a straight pipe to replace the upstream tank, upstream the turbine. This second solution is the one the LAMH put to use for its next project : Tr-Francis.
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Neuhauser, Magdalena. "Development of a coupled SPH-ALE/Finite Volume method for the simulation of transient flows in hydraulic machines." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2014. http://www.theses.fr/2014ECDL0045/document.
Full textAbstract:
L'utilisation croissante des sources d'énergie renouvelable avec une grande volatilité de production, comme l'énergie éolienne et solaire, conduit à des fluctuations dans le réseau électrique qui doivent être compensées. Pour cette raison les machines hydrauliques, turbines et pompes, sont plus souvent opérées dans les régimes de fonctionnement hors fonctionnement nominal et la fréquence des phases de démarrage et arrêt augmente. Ce type de fonctionnement peut avoir des conséquences importantes sur le cycle de vie des machines. Il est donc essentiel de prendre en compte l'écoulement dans les phases transitoires lors de la conception de la machine et la simulation numérique des écoulements est un outil adapté pour cela. La présente étude a pour objectif de développer une méthode de couplage flexible qui combine la méthode à maillage volumes finis (VF) et la méthode sans maillage Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE). Cette méthode couplée peut être utilisée comme outil pour l'investigation des phénomènes transitoires dans les machines hydrauliques. SPH-ALE est particulièrement bien adapté aux simulations des écoulements fortement dynamiques avec des géométries mobiles mais elle a des difficultés pour calculer des forts gradients de pression et vitesse. Un raffinement de particules est difficile à implémenter, surtout si les particules doivent être raffinées de manière anisotrope. Les méthodes volumes finis (VF) sont établies pour les simulations numériques d'écoulements grâce à leur stabilité et précision. Par contre, elles peuvent être lourdes pour les simulations avec des géométries mobiles et demandent souvent une interface entre des parties mobiles et statiques du maillage ce qui génère des erreurs supplémentaires. Pour combiner les deux approches complémentaires, une méthode de couplage a été développée qui décompose le domaine de calcul en zones où la vitesse et la pression sont calculées par la méthode VF, en zones où elles sont obtenues par SPH-ALE et en zones de recouvrement où les informations sont transférées de la zone VF à la zone SPH et inversement. Dans les zones de recouvrement les points de calcul VF sont utilisés comme voisins pour l'intégration en espace des particules SPH. Aux limites du maillage VF la vitesse et la pression sont interpolées des particules SPH, similairement aux méthodes Chimére des maillages recouvrants. Un logiciel SPH-ALE existant du groupe ANDRITZ est utilisé pour cette étude. Un solveur VF faiblement compressible est implémenté dans ce logiciel. Le solveur discrétise la même forme des équations de Navier-Stokes que le solveur SPH-ALE. Des solveurs de Riemann avec des états reconstruits par la méthode MUSCL sont employés. En outre, le solveur SPH-ALE est amélioré et adapté aux écoulements internes. Pour cette raison des conditions à l'entrée et à la sortie du type subsonique sont implémentées. Du plus, une méthode de correction du gradient de la fonction kernel est présentée qui améliore la précision du champ de pression, notamment si les particules ne sont pas distribuées régulièrement. La méthode couplée est validée à l'aide des cas test académiques en unidimensionnel et en bidimensionnel, comme le cas de tube à choc, les tourbillons de Taylor-Green et l'écoulement autour d'une aube symétrique du type NACA avec des particules en description eulérienne. En outre, le couplage offre la possibilité d'imposer des conditions à la sortie aux particules lagrangiennes. La méthode est appliquée aux simulations d'écoulement transitoire en 2D avec des particules qui se déplacent en suivant les géométries mobilesThe increased use of intermittent forms of renewable energy like wind and solar energy produces fluctuations in the electric grid that have to be compensated. For this reason, hydraulic machines like turbines and pumps are more often operated under non-conventional operating conditions and are submitted to frequent starts and stops. This type of operating conditions has important consequences on the life cycle of the machines. It is thus of paramount importance that transient flows at off-design conditions are properly taken into account in the design phase and numerical simulation is an appropriate way to do so. The present study aims at developing a flexible coupling method of the meshbased Finite Volume Method (FVM) and the meshless Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE) method, which can be used as a tool for the investigation of transient phenomena in hydraulic machines. SPH-ALE is very well adapted for the simulation of highly dynamic flows with moving geometries but has difficulties to correctly represent rapidly changing gradients of the field variables. Particle refinement is difficult to implement, especially if particles are refined in an anisotropic way. FV methods are well established in CFD because of their accuracy and stability. However, they can be tedious for simulations with moving geometries and often necessitate an interface between moving and static parts of the mesh which introduces additional errors. To overcome the shortcomings of both methods, a coupling method is developed that uses a decomposition of the computational domain into regions where the physical field variables are computed by the FV method, regions where they are computed by SPH-ALE and overlapping regions where the information is transferred from the FV domain to the SPH domain and vice versa. In the overlapping regions FV calculation points are used as neighbors for the SPH integration in space. At the boundaries of the FV mesh, velocity and pressure are interpolated from the SPH particles by means of scattered data interpolation techniques, similarly to Chimera methods for overlapping grids. For this study, an existing SPH-ALE software of the ANDRITZ Group is used. A weakly compressible FV solver is implemented into this software that discretizes the same form of the Navier-Stokes equations than the SPH-ALE solver. Similar to the present SPH-ALE method, Riemann solvers with reconstructed states, obtained by a MUSCL scheme, are employed. Moreover, adaptations and improvements of the SPH-ALE solver itself are made, which are important for the coupling and for the simulation of internal flows in general. Thus, subsonic inlet and outlet conditions are implemented. Furthermore, a correction method of the kernel gradient is presented that ensures zeroth order consistency of the SPH-ALE approximation of the divergence of the convective fluxes. The correction improves greatly the SPH pressure field on non-uniform particle distributions. The implemented coupled method is successfully validated by means of inviscid academic one-dimensional and two-dimensional testcases like a shock tube case, Taylor-Green vortices and the flow around a symmetric NACA airfoil with particles in Eulerian description. Furthermore, the coupling provides a possibility to implement outlet boundary conditions to Lagrangian moving SPH particles. It is then applied to the simulation of transient flows in rotor stator systems in 2D with moving particles
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Guénette, Vincent. "Prédiction numérique de l'écoulement turbulent au sein d'une turbine bulbe par des simulations " rans "." Thesis, Université Laval, 2013. http://www.theses.ulaval.ca/2013/30123/30123.pdf.
Full textAbstract:
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.
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Helali, Assia. "Optimisation d'une turbine de type Kaplan." Grenoble INPG, 2006. http://www.theses.fr/2006INPG0078.
Full textAbstract:
Confrontés au problème d'optimisation des turbomachines, le souci des constructeurs est de disposer de méthodes de tracé rapides, fiables et suffisamment précises. Le présent travail de recherche, s'inscrit dans ce contexte. Ainsi nous avons mis au point une démarche complète de conception et d'optimisation des géométries du distributeur et de la roue d'une turbine axiale de type Kaplan. Cette démarche emploie des codes numériques pour l'analyse de l'écoulement et également un outil d'optimisation. La première étape de ce travail consiste à étudier l'écoulement tridimensionnel à l'aide de logiciels de CFD (Numeca). En second lieu, nous avons procédé à l'optimisation de la géométrie du distributeur ainsi que celle de la roue en utilisant le logiciel EASY basé sur les algorithmes évolutionnairesConfronted with the problem of optimization in turbo-machinery, the principal concern and requirement of industrial designers is to possess fast, reliable and accurate design methods. The present research work joins in this context. Indeed, we have developed a complete method of design and optimization of the geometries of the guide vane and rotor of Kaplan turbine. For this purpose, we have used sorne numerical codes for the flow analysis as weil as an optimization tool. The first step of this work consists in studying the three-dimensional flow behavior using CFD software of Numeca group. Ln the second step, we proceeded to the optimization of the geometry of the guide vane and the rotor using the EASY software which is based on the evolutionary algorithms
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Payette, Félix-Antoine. "Simulation de l'écoulement turbulent dans les aspirateurs de turbines hydrauliques : impact des paramètres de modélisation." Thesis, Université Laval, 2008. http://www.theses.ulaval.ca/2008/25433/25433.pdf.
Full text
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Costes, Jean. "Structure des écoulements générés par une turbine de Rushton dans une cuve chicanée." Toulouse, INPT, 1986. http://www.theses.fr/1986INPT012G.
Full textAbstract:
La structure des ecoulements d'eau generes par une turbine de rushton dans une cuve agitee munie de 4 chicanes verticales est etudiee dans 3 unites d'agitation realisees en similitude geometrique (50, 70 et 200 litres). Les vitesses moyenne et fluctuante ainsi que les structures fines de la turbulence sont mesurees par anemometrie et anemometrie doppler a laser. Les deux methodes sont comparees. Les profils de la vitesse moyenne adimensionnelle et de la moyenne quadratique des fluctuations de vitesse adimensionnelle sont pratiquement independantes de la taille de l'unite et du nombre de reynolds rapporte a l'agitateur. La structure fine de la turbulence (spectre de frequence, macroechelles, puissance dissipee) est independante de la taille de l'unite et du nombre de reynolds
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Houde, Sébastien. "Analysis of the part-load and speed-no-load flow dynamics in a model propeller hydraulic turbine." Doctoral thesis, Université Laval, 2018. http://hdl.handle.net/20.500.11794/29823.
Full textAbstract:
Les turbines hydrauliques sont devenues un atout important pour la régulation de la puissance sur les réseaux électriques. Cependant, les scénarios de régulation de puissance exigent que les turbines fonctionnent loin de leurs points d'opération optimale, dans des régions où de grandes uctuations de pression peuvent affecter l'intégrité structurale de la turbine. Cette thèse présente des contributions a l'etude de l'hydrodynamique de l'écoulement dans une turbine helice modele fonctionnant dans des conditions de charge partielle et de vitesse-sans-charge. À charge partielle, les fluctuations de pression principales sont associées à un vortex cavitant. Des mesures provenant de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) couplées à des techniques de fluorescence induite par laser et d'ombroscopie ont été utilisées pour reconstruire l'interface eau-vapeur et identier l'origine de fluctuations aectant la précision des mesures de PIV moyennées en phase. De plus, des capteurs de pression miniatures incorporés dans deux aubes de la roue ainsi que des jauges de deformation montées sur les aubes ont fourni des données pour quantier l'impact du vortex de charge partielle sur la turbine. Cette thèse présente également l'une des premieres etudes detaillees sur les conditions transitoires et sans charge dans une turbine modèle. Les capteurs de pression et de déformation sur les aubes ont ete utilisés pour identier les instabilités dominantes dans des conditions de vitesse sans charge et d'emballement. Des simulations basées sur la technologie Scale Adaptive Simulations (SAS) de la condition de vitesse-sans-charge ont été utilisés pour étudier un décrochage tournant dans la roue. Des simulations sans les aubes indiquent que le décrochage tournant est associé à une couche cisaillée provenant d'une recirculation autour du moyeu de la roue et d'une séparation de la couche limite sur le fond supérieur.Hydraulic turbines have become an important asset to provide power regulation on electrical grids. However, power-regulation scenarios require turbines to operate far from their best eciency conditions, in regions where large pressure uctuations aect the turbine structural integrity. This is particularly acute for xed blade reaction turbines such as propeller units. This thesis presents contributions to the study of the hydrodynamics of the ow in a model propeller turbine operating in part-load and speed-no-load conditions. In part load, the main pressure uctuations are associated with the part-load vortex. Data from Particle Image Velocimetry (PIV), coupled to Laser Induced Fluorescence and shadowgraphy techniques, were used to reconstruct the water-vapour interface and to identify the origin of uctuations aecting the precision of the phase-averaged PIV measurements. Furthermore, miniature pressure transducers imbedded in two runner blades and strain gages at the blade roots provided data to quantify the impact of the part load vortex on the runner. This thesis also presents one of the rst detailed studies on transient and no-load conditions in a model hydro-turbine. Pressure and strain sensors were used to identify the dominant ow instabilities in speed-no-load and runaway conditions. Scale Adaptive Simulations (SAS) of the speed-no-load condition were used to study a rotating stall dominating the runner ow. Simulations without runner blades indicate that the rotating stall is associated with an unstable shear-layer originating from a recirculation around the runner hub and a boundary layer separation on the turbine head cover. Those results open the possibility of eventually developing mitigation techniques.
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Lussier, Annie. "Vibrations libres d'une structure élastique dans un fluide lourd." Sherbrooke : Université de Sherbrooke, 1998.
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Katond, Mbay Jean-Paul. "Modélisation, développement et essais des turbines hydrauliques à utiliser sur des chutes d'eau typiques des rivières de la R.D. Congo." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2013. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/209553.
Full textAbstract:
La R.D. Congo possède l’un de taux de desserte en électricité le plus faible au monde (moins de 1 % en zones rurales) malgré son important potentiel hydroélectrique estimé à 100.000 MW. Pour accroitre le taux de desserte en électricité en construisant des microcentrales hydroélectrique, il est impérieux d’utiliser une technologie simple, fiable, robuste et peu coûteuse. La turbine à vis d’Archimède apparait comme une solution appropriée à ces exigences. Nous avons ainsi conçu et fabriqué localement (à Lubumbashi) un banc d’essai d’une turbine à vis d’Archimède possédant seulement deux hélices et des pas larges (β = 30° et β = 45°). L’objectif étant de simplifier la fabrication et réduire la quantité d’acier utilisé pour la vis par rapport aux vis utilisées en Europe et aux U.S.A. Le banc d’essais nous a permis d’obtenir six configurations combinant la pente de la vis (α = 22,5°, 30° et 37,5°) et les pas. La combinaison la plus optimale est la configuration de la vis inclinée de α = 22,5° par rapport à l’horizontale et dont l’hélice est orientée de β = 45° sur le moyeu (p45H22).En second lieu, vient la configuration de la vis inclinée de α = 30° et dont l’hélice est orientée de β = 45° sur le moyeu (p45H30). Ces deux configurations ont respectivement un rendement à débit nominal de 89 et 86 %./D.R. Congo has an electricity service rate that ranks as the lowest in the world (less than 1% in rural areas) despite its large hydroelectric potential estimated at 100,000 MW. To increase the rate of access to electricity by constructing small hydropower plant, it is imperative to use simple technology, reliable, robust and inexpensive. The Archimedean screw turbine appears to be an appropriate solution to these requirements. We have designed and manufactured locally (in Lubumbashi) a test bench for Archimedean’s screw turbines having two blades only and a large pitch p function of β ( β = 30 ° and β = 45 °, β being the orientation angle of the blade on the screw cylinder). The goal is to simplify manufacturing and reduce the amount of steel used for the screw relative to the screws used in Europe or in USA. The test bench has allowed the experiments with six configurations combining the slope of the screw (α = 22.5 °, 30 ° and 37.5 °) and the pitch p (with varying rotation speed). The optimal combination appeared to be the configuration of the screw inclined at α = 22.5 ° relative to the horizon and with an helix β = 45 ° on the cylinder of the screw. The second best configuration has an inclined screw α = 30 ° and the helix which is oriented β = 45 °. These two configurations each have a global efficiency of 89% and 86%, respectively.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished
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Boden, Wiebke. "Prediction of erosion damages in hydraulic machines for hydro-abrasive erosion." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEC034/document.
Full textAbstract:
L’énergie hydraulique, où l’énergie cinétique de l’eau est transformée en énergie électrique, représente une contribution importante aux énergies renouvelables. L’eau qui passe par les turbines hydrauliques contient toujours une partie solide, par exemple du sable et de l’argile. Ces sédiments peuvent atteindre des niveaux de concentration élevés, ce qui nuit considérablement à la structure de la turbine par un mécanisme d’endommagement appelé érosion hydro-abrasive. Des types de turbine impliquant des vitesses d’écoulement très élevées, comme les turbines Pelton, sont particulièrement sensibles à l’érosion hydro-abrasive. Les simulations numériques présentent un moyen efficace d’étudier le sujet de l’érosion hydro-abrasive dans les turbines Pelton car elles permettent facilement la variation des nombreux paramètres. Ainsi, une réponse immédiate aux questions opérationnelles, de conception ou d’optimisation peut être obtenue. Cependant, il a été démontré que l’application des modèles d’érosion généraux et souvent utilisés ne fournit pas de résultats corrects en raison des propriétés particulières du matériel et de l’écoulement des turbines Pelton. Par conséquent, ce travail étudie le potentiel de la modélisation de l’érosion directe basée sur des principes fondamentaux. Cela implique que le mouvement des sédiments dans le fluide est simulé, leurs paramètres au moment de l’impact enregistrés et ensuite l’endommagement macroscopique global du matériel calculé sur la base des simulations de structure en microéchelle. Une formulation très appropriée pour les simulations fluides dans les turbines Pelton est une méthode sans maillage, plutôt nouvelle, qui s’appelle Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Par conséquent, la première partie de ce travail aborde la mise en oeuvre et l’évaluation d’un modèle Lagrangien de transport des sédiments dans le cadre de cette méthode où les sédiments sont transportés par une équation de mouvement. L’effet du bruit inhérent à la méthode SPH sur le mouvement des sédiments est évalué par rapport à l’effet de la dispersion turbulente des sédiments, qui a été introduite par un modèle basé sur l’équation de Langevin. En outre, les termes liés aux différentes forces dans l’équation du mouvement sont étudiés dans le cadre de la méthode SPH. Une deuxième partie de ce travail développe une approche efficace et généralement applicable pour obtenir l’endommagement globale sans adopter des modèles d’érosion. Pour obtenir cet endommagement global en macroéchelle, l’endommagement causé par un seul impact de sédiment, qui est calculé par des simulations de structure en microéchelle, est combiné avec les statistiques d’impact des simulations du fluideHydraulic energy represents one important contribution to the growing source of renewable energies where the kinetic energy of water is transformed into electric energy. The water flowing through the hydraulic turbines always contains a solid part, for example sand and clay. Those sediments can reach high concentrations, harming importantly the turbine structure by a mechanism called hydro-abrasive erosion. Turbine types implying very high flow velocities, like Pelton turbines, are in particular sensitive to hydro-abrasive erosion. Numerical simulations present an efficient way to study the topic of hydro-abrasive erosion in Pelton turbines as they allow the variation of numerous parameters. Thus an immediate response to operational, design or optimization questions can be obtained. However it has been shown that the application of general, widely used erosion models do not deliver physical correct results due to the particular material and flow properties of Pelton turbines. Consequently this work investigates the potential of erosion modeling based on first principals. That means the sediment movement in the fluid is simulated, their state at impact tracked and then the overall macroscopic material damage calculated based on microscale structural simulations. A convenient formulation for fluid simulations in Pelton turbines is the rather novel, meshless method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Therefore the first part of this work addresses the implementation and evaluation of a Lagrangian sediment transport model in the framework of this method where sediments are transported by a particle equation of motion. The effect of the SPH method inherent noise on the sediment movement is evaluated against the effect of the turbulent dispersion of the sediments, which has been introduced via an ad-hoc model based on the Langevin equation. Furthermore the different force terms in the particle equation of motion are investigated with respect to the SPH method. A second part develops an efficient and general applicable approach to obtain the overall erosion damage without adopting erosion models. Therefore the damage caused by a single sediment impact is calculated by structural simulations on the microscale in a first step. In a second step that isolated damage is combined with impact statistics from the fluid simulations and hence gives the overall damage profile on the macroscale
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Boudreau, Matthieu. "Optimizing the power-generation performance of flapping-foil turbines while simplifying their mechanical design with the use of elastic supports." Doctoral thesis, Université Laval, 2019. http://hdl.handle.net/20.500.11794/34484.
Full textAbstract:
Due à la complexité des mécanismes typiquement requis pour contraindre l’aile d’une turbine à aile oscillante à suivre des mouvements spécifiques, cette thèse étudie la possibilité de bénéficier de mouvements non contraints, dits passifs. En pratique, cela implique que l’aile est attachée à la structure de la turbine à l’aide de supports élastiques indépendants en pilonnement et en tangage, formés de ressorts et d’amortisseurs. Par conséquent, seul un contrôle indirect des mouvements est possible en ajustant adéquatement les paramètres structuraux affectant la dynamique de l’aile, tels que les paramètres d’inertie, d’amortissement et de raideur de l’aile et de ses supports élastiques. En premier lieu, un prototype ayant des mouvements passifs autant en pilonnement qu’en tangage, et donc étant complètement passif, a été conçu et testé dans un canal à surface libre. Cette première phase du présent travail de recherche a confirmé la faisabilité et le potentiel de ce concept en permettant d’extraire une quantité significative d’énergie de l’écoulement d’eau. Cependant, l’efficacité maximale atteinte est demeurée inférieure à ce qui peut être obtenu en contraignant l’aile à suivre des mouvements précis. Suite à ces expériences, un algorithme résolvant la dynamique du solide a été implémenté et couplé au logiciel résolvant la dynamique du fluide gouverné par les équations de Navier-Stokes. Des simulations numériques ont été réalisées afin d’analyser plus en détail la dynamique de chacun des deux degrés de liberté de l’aile. Plutôt que de poursuivre notre étude du concept complètement passif immédiatement, un concept de turbine semi-passive caractérisée par un mouvement de tangage passif et un mouvement de pilonnement contraint a été considéré. Des efficacités de l’ordre de 45% ont été atteintes, se comparant ainsi aux meilleures performances rapportées dans la littérature concernant les turbines à ailes oscillantes complètement contraintes. En plus de révéler le fort potentiel de ce concept de turbine semi-passive, cette étude nous a permis de nous concentrer sur certains aspects spécifiques concernant la dynamique d’une aile attachée par des ressorts en tangage. Cette analyse plus détaillée de la physique en jeu a été facilitée par le nombre réduit de paramètres structuraux en jeu par rapport à une turbine pour laquelle le mouvement de pilonnement est lui aussi passif. L’une des découvertes importantes est que le centre de masse doit être situé en aval du point de pivot afin de générer un transfert d’énergie du mouvement de pilonnement vers le mouvement de tangage par l’entremise du couplage inertiel entre les deux degrés de liberté. Ce transfert d’énergie est crucial puisque les mouvements de tangage optimaux nécessitent de l’énergie en moyenne pour être soutenus. De plus, un paramètre combinant les effets liés au moment d’inertie de l’aile par rapport à son point de pivot et à la raideur en tangage a été proposé. Ce paramètre permet de bien caractériser la dynamique du mouvement de tangage passif de la turbine semi-passive. Il permet aussi de déterminer la raideur requise pour différentes valeurs du moment d’inertie afin de maintenir une performance optimale de la turbine. Utilisant les connaissances acquises concernant la dynamique des mouvements de tangage passifs, le concept de turbine à aile oscillante complètement passive a été revisité. Les meilleures efficacités obtenues avec la turbine semi-passive ont été égalées et ont même été surpassées puisque qu’une efficacité de 53.8% a été atteinte. Les résultats ont aussi démontré qu’une performance optimale pouvait être maintenue sur de larges plages de valeurs en ce qui concerne la masse en pilonnement ainsi que le moment d’inertie par rapport au point de pivot, pourvu que les raideurs en pilonnement et en tangage soient ajustées correctement.Due to the complexity of the mechanisms typically required when designing a flapping-foil turbine to prescribe specific heave and pitch motions, this thesis investigates the possibility of benefiting from unconstrained motions. In practice, this means that the foil is attached to the turbine structure with independent elastic supports in heave and in pitch, which consist in springs and dampers. Consequently, only an indirect control over the foil motions is possible through an adequate adjustment of the structural parameters affecting the foil dynamics, namely the inertial, damping and stiffness characteristics of the elastically-supported foil. Such motions are referred to as passive motions. As a first step, a turbine prototype with passive heave and pitch motions, thus being fully-passive, has been designed and tested in a water channel. This first phase of the present research work has confirmed the feasibility and the potential of this concept to extract a significant amount of energy from a fluid flow. However, the maximum efficiency that has been obtained is smaller than what can be achieved when prescribing specific foil motions. Following these experiments, a solid solver has been implemented and coupled with a Navier-Stokes fluid solver. Numerical simulations have been carried out to analyze the dynamics of both degrees of freedom in more details. Instead of immediately pursuing our study of the fully-passive flappingfoil turbine, a semi-passive concept, with a passive pitch motion and a prescribed heave motion, has been considered. Efficiencies of the order of 45% have been achieved, hence competing with the best performance reported in the literature for flapping-foil turbines with prescribed motions. In addition to revealing the great potential of this semi-passive turbine concept, this study has allowed us to focus on some specific aspects of the dynamics of passive pitch motions. This more detailed analysis of the physics at play has been facilitated by the reduced number of structural parameters affecting the foil dynamics compared to a turbine for which the foil is also elastically-supported in heave. One of the main findings is that the center of mass must be positioned downstream of the pitch axis in order to generate a net transfer of energy from the heave motion to the pitch motion via the inertial coupling between the two degrees of freedom. This energy transfer is crucial because optimal pitch motions require energy on average to be sustained. Moreover, a parameter combining the effects of the moment of inertia of the foil about the pitch axis and the pitch stiffness has been proposed. This parameter effectively characterizes the pitch dynamics of the semi-passive turbine. It also allows properly scaling the pitch stiffness when different moments of inertia are considered with the objective of maintaining an optimal turbine performance. Having improved our knowledge about the dynamics of passive pitch motions, the fully-passive flapping-foil turbine concept has been revisited. The best efficiencies obtained with the semi-passive concept have been matched, and even exceeded since an efficiency of 53.8% has been reached. The results have also demonstrated that an optimal performance can be maintained over large ranges of values regarding the heaving mass and the moment of inertia when the heave and pitch stiffness coefficients are adjusted adequately.
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Lemay, Sébastien. "Étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d'une turbine de type bulbe." Master's thesis, Université Laval, 2014. http://hdl.handle.net/20.500.11794/25156.
Full textAbstract:
Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014.Ce mémoire présente l'étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d’une roue de turbine de type bulbe. Pour ce faire, deux campagnes de mesures ont été réalisées. La première a fait usage de l’anémométrie laser à effet Doppler (LDV). La seconde campagne a fait appel à l’anémométrie par image de particules (PIV) et à un montage stéréoscopique endoscopique conçu sur mesure pour atteindre la région ciblée. Les données recueillies permettent de caractériser plusieurs phénomènes. L’importance du sillage des directrices entre les aubes de la roue est mise en évidence par les deux techniques de mesure. La campagne de mesure par LDV permet plus spécifiquement de cibler les tourbillons de jeu de bout d’aube et d’identifier des débalancements fixe et rotatif. En complément, les mesures par PIV révèlent la présence d’un tourbillon qui provient du bord d’attaque près du moyeu lorsque la turbine opère à charge partielle.
This work presents the experimental study of the flow in the inter-blade channel of the runner of a bulb turbine. To do so, two measurement campaigns were carried out. The first used laser Doppler velocimetry (LDV). The second campaign used particle image velocimetry (PIV) and a custom designed stereoscopic endoscopic setup allowed reaching this otherwise difficult to access measurement plane. A comparison of the two sets of data collected indicates a good match over the entire area on which they overlap. The gathered data allows characterising many phenomena. The importance of the guide vanes wake on the runner flow is highlighted by both measurement techniques. The LDV measurement campaign allows characterizing the blade tip vortices and identifying fixed and rotary flow imbalances. In addition, the PIV measurements reveal the presence of a vortex that originates from the leading edge near the hub when the turbine operates at partial load.
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Longchamp, Quentin. "Analyse expérimentale et numérique de l'écoulement dans le canal d'entrée d'un modèle de turbine bulbe." Thesis, Université Laval, 2014. http://www.theses.ulaval.ca/2014/30591/30591.pdf.
Full textAbstract:
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.
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Tyrode, Victor, and Victor Tyrode. "Analyse modale d'une structure submergée à partir de jauges de déformation." Master's thesis, Université Laval, 2020. http://hdl.handle.net/20.500.11794/38106.
Full textAbstract:
Ce mémoire de maîtrise présente une étude préliminaire pour comprendre comment réaliser l'analyse modale d'une turbine hydraulique de type Francis. Au cours du projet Tr-Francis, il est prévue de réaliser des mesures de déformations et de réaliser une analyse modale à l'aide de jauges de déformation collées sur la turbine lors de son fonctionnement. Pour ce faire, il est nécessaire de comprendre comment installer les jauges de dé- formation sur la turbine. Tout d'abord, des expérimentations ont été réalisées afin de comprendre les raisons pour lesquelles les jauges de déformation ne fonctionnent pas sous l'eau. Différentes technologies de jauges de déformation et différents produits de protections ont également été testés. Il est également nécessaire de comprendre comment réaliser une analyse modale à partir de mesures de jauges de déformation. Sumali à développée une nouvelle méthode d'analyse modale par mesure de déformation sur une poutre. A travers ce mémoire, cette méthode est étendue pour réaliser l'analyse modale d'un anneau. La méthode est tout d'abord prouvée mathématiquement puis à l'aide d'une simulation numérique. Finalement, en excitant un anneau instrumenté de jauges de déformations avec un marteau d'impact puis avec un piézo-actionneur, la fonctionnalité de la méthode est prouvée.Ce mémoire de maîtrise présente une étude préliminaire pour comprendre comment réaliser l'analyse modale d'une turbine hydraulique de type Francis. Au cours du projet Tr-Francis, il est prévue de réaliser des mesures de déformations et de réaliser une analyse modale à l'aide de jauges de déformation collées sur la turbine lors de son fonctionnement. Pour ce faire, il est nécessaire de comprendre comment installer les jauges de dé- formation sur la turbine. Tout d'abord, des expérimentations ont été réalisées afin de comprendre les raisons pour lesquelles les jauges de déformation ne fonctionnent pas sous l'eau. Différentes technologies de jauges de déformation et différents produits de protections ont également été testés. Il est également nécessaire de comprendre comment réaliser une analyse modale à partir de mesures de jauges de déformation. Sumali à développée une nouvelle méthode d'analyse modale par mesure de déformation sur une poutre. A travers ce mémoire, cette méthode est étendue pour réaliser l'analyse modale d'un anneau. La méthode est tout d'abord prouvée mathématiquement puis à l'aide d'une simulation numérique. Finalement, en excitant un anneau instrumenté de jauges de déformations avec un marteau d'impact puis avec un piézo-actionneur, la fonctionnalité de la méthode est prouvée.
This Master's thesis presents a preliminary study to understand how to perform the modal analysis of a Francis hydraulic turbine. During the Tr-Francis project, it is planned to carry out deformation measurements and perform a modal analysis using strain gauges bonded to the turbine during its operation. It is then necessary to understand how to install the strain gauges on the runner. Experiments were conducted to understand why the strain gauges have a limited lifetime underwater. Different strain gauge technologies and different protection products have also been tested. It is also necessary to understand how to perform a modal analysis from strain gauge measurements. Sumali has developed a method to perform modal analysis using deformation measurement on a beam. Through this thesis, this method is extended to perform the modal analysis of a ring. The method is first developped and then validated using numerical simulations. The method is first proven mathematically and then using a numerical simulation. Finally, by exciting an instrumented ring of strain gauges with an impact hammer and then with a piezo-actuator, the functionality of the method is proven.
This Master's thesis presents a preliminary study to understand how to perform the modal analysis of a Francis hydraulic turbine. During the Tr-Francis project, it is planned to carry out deformation measurements and perform a modal analysis using strain gauges bonded to the turbine during its operation. It is then necessary to understand how to install the strain gauges on the runner. Experiments were conducted to understand why the strain gauges have a limited lifetime underwater. Different strain gauge technologies and different protection products have also been tested. It is also necessary to understand how to perform a modal analysis from strain gauge measurements. Sumali has developed a method to perform modal analysis using deformation measurement on a beam. Through this thesis, this method is extended to perform the modal analysis of a ring. The method is first developped and then validated using numerical simulations. The method is first proven mathematically and then using a numerical simulation. Finally, by exciting an instrumented ring of strain gauges with an impact hammer and then with a piezo-actuator, the functionality of the method is proven.
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Beaubien, Carl-Anthony. "Simulations numériques de l'écoulement turbulent dans un aspirateur de turbine hydraulique." Thesis, Université Laval, 2013. http://www.theses.ulaval.ca/2013/29942/29942.pdf.
Full textAbstract:
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.
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Heschung, Marine. "Investigation sur le débalancement de l'écoulement observé expérimentalement sous la roue d'une turbine Francis." Master's thesis, Université Laval, 2017. http://hdl.handle.net/20.500.11794/27855.
Full textAbstract:
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018Ce mémoire vise à contribuer à l'amélioration de la prédiction numérique des performances d'une turbine hydraulique par la quantification de l'impact de certains paramètres d'influence, autant physiques que méthodologiques. Pour ce faire, l'écoulement dans une turbine caractérisée par une chute de rendement près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Cette dernière est associée à une baisse abrupte du coefficient de récupération de l'aspirateur, une composante connue pour jouer un rôle capital dans les performances globales de la machine. L'accent a particulièrement été mis sur l'étude du débalancement de l'écoulement sous la roue, observé à la suite d'une campagne de mesure expérimentale effectuée sur le banc d'essai du CREMHyG à Grenoble. En effet, l'écoulement en sortie de roue est souvent considéré axisymétrique dans les simulations numériques, une simplification qui est en désaccord avec les données expérimentales du cas étudié dans ce projet de recherche. Afin d'identifier la nature du débalancement, une analyse critique a été menée sur les données expérimentales. Toutefois, aucune conclusion satisfaisante n'a pu être tirée puisqu'une inconsistance entre les données obtenues par LDV et celles obtenues par PIV a été décelée. Considéré statique, il a été démontré que la présence d'un tel débalancement à l'entrée de l'aspirateur altère considérablement la topologie de l'écoulement en aval ainsi que la prédiction des performances. De plus, certains aspects des simulations obtenus avec ce type de débalancement ne concordent pas avec les observations expérimentales, c'est notamment le cas pour la zone d'amorçage du décollement mais aussi pour l'écart de débit entre les deux pertuis. Il a également été montré que les simulations des composantes fixes en amont de l'aspirateur, incluant une importante partie de la conduite d'amenée, ne permettent pas de retrouver l'asymétrie de l'écoulement observée expérimentalement en sortie de roue. En effet, l'écoulement secondaire, associé à la présence d'une conduite coudée en amont de la bâche spirale, s'est avéré avoir très peu d'influence sur la distribution de l'écoulement dans l'avant-distributeur et dans le distributeur. La conduite menant jusqu'à l'entrée de la bâche spirale semble être assez longue pour que les modifications apportées au profil de vitesse deviennent insuffisantes pour perturber l'écoulement à cet endroit.
This master degree thesis aims at enhancing the numerical prediction of the performance of a hydraulic turbine by quantifying the impact of physical and methodological influencing parameters. To this end, the flow in a turbine characterised by an efficiency drop near the best efficiency point was studied. The latter is associated with a sharp drop in the recovery coefficient of the draft tube, a component known to play a key role in the global performance of the machine. Particular emphasis was placed on the study of the imbalance of the flow at the runner exit, observed following an experimental measurement campaign carried out on the CREMHyG test bench in Grenoble. Indeed, the flow at the runner exit is often considered axisymetric in numerical simulations, a simplification that is not consistent with the experimental data of the case studied in this research project. In order to identify the nature of the imbalance, a critical analysis was conducted on the experimental data. However, no satisfactory conclusion could be drawn since inconsistency between the data obtained by LDV and those obtained by PIV was identified. Considered static, it has been shown that the presence of such an imbalance at the inlet of the draft tube alters considerably the topology of the downstream flow as well as the prediction of the performances. Moreover, some aspects of the simulations obtained with this type of imbalance do not agree with the experimental observations, it is notably the case for the initiation zone of the flow detachment but also for the flow rate imbalance between the two draft tube channels. It has also been shown that the numerical simulations of fixed components upstream of the draft tube, including a large part of the penstock, do not allow to recover the asymmetry of the flow experimentally observed at the exit of the runner. Indeed, the secondary flow, associated with the presence of a bend upstream of the spiral case, proved to have a very little influence on the distribution of the flow in the distributor. The pipe leading to the entrance of the spiral case appears to be long enough for changes made in the velocity profile to become insufficient to disrupt the flow at this place.
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Côté, Philippe. "Investigation of the self-excited vibrations in a Francis runner in transient conditions of load rejection." Master's thesis, Université Laval, 2015. http://hdl.handle.net/20.500.11794/26350.
Full textAbstract:
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016Les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire de maîtrise visent à décrire la source hydraulique de vibrations mesurées lors de la mise en service d’une roue Francis. Lors de l’essai de rejet de charge à partir de la puissance maximale, il a été relevé que la roue subissait des vibrations autoexcitées à l’une de ses fréquences naturelles. L’objectif de ces travaux est d’identifier le phénomène hydraulique causant l’entrée en vibrations auto-excitées de la roue submergée. Puisque la cavitation semble jouer un rôle dans cette problématique, les capacités du solveur fluide ANSYS CFX à simuler de la cavitation instationnaire ont été évaluées. De ce fait, deux géométries ayant été étudiées expérimentalement ont été simulées. Cette étude a permis de conclure que l’approche homogène, plus stable et couramment utilisée dans la littérature, ne permet pas de reproduire de façon fiable les fluctuations de pression causées par l’instationarité des cavités de vapeur. Il a cependant été montré que les simulations permettent de prédire la forme, la localisation ainsi que les mécanismes entraînant la présence de vapeur dans l’écoulement. De plus, il a été demontré que la cavitation est un phénomène particulièrement sensible et sujet à répondre en phase à une excitation oscillatoire, par exemple la vibration de la roue. Les simulations numériques réalisées durant différentes phases du rejet de charge transitoire ont entre autres permis d’identifier que lorsque les vibrations apparaissent, une forte région de vapeur se crée au bord de fuite de l’aubage, près du plafond. En augmentant le temps de fermeture du distributeur, le partenaire industriel a réussis à éliminer les vibrations problématiques. En réalisant des simulations avec différents temps de fermeture, il a été démontré que la solution proposée permet d’augmenter le niveau de pression dans le canal inter-aubes, réduisant ainsi la quantité de vapeur s’y trouvant. Cela laisse suggérer que la cause d’entrée en vibrations de la roue est la cavitation se formant durant le rejet de charge. Cependant, il est à noter que les différentes méthodologies proposées n’ont pas permis d’obtenir les fréquences d’excitation mesurées expérimentalement, essentiellement à cause de limitations liées à la modélisation de la cavitation.
The work presented in this master degree thesis aims to identify the hydraulic cause of mechanical vibrations measured during the commissioning of a Francis runner. During the test of load rejection from maximal power output regime, it was noticed that the runner entered a state of self-excited vibrations at one of its natural frequencies. The purposes of this work is to investigate the hydraulic phenomenon which causes the submerged runner to enter self-excited vibrations. Since cavitation is expected to play a role in this problematics, there was a need to evaluate the capabilities of the fluid solver ANSYS CFX to solve unsteady cavitating flows. Two geometries which had been investigated experimentally were thus simulated. It was concluded that the homogeneous approach, more robust and widely used in the literature, does not lead to a reliable prediction of the pressure fluctuations caused by cavitation. It was however shown that the simulations allowed to predict the shape, the location as well as the physical mechanisms responsible for the presence of vapor in the flow. It was also demonstrated that cavitation is a phenomenon particularly sensitive and subject to respond in phase to oscillatory perturbations, for instance the vibrating runner. The numerical simulations carried out at different phases of the load rejection transient have established that when the vibrations appear, a wide region of vapor forms at the trailing edge of the blade, near the crown. By increasing the distributor closing time, the industrial partner in this work had success in eliminating such problematic vibrations. In our case, when performing simulations with increased closing times, it was demonstrated that the solution proposed allows to increase the pressure level in the inter-blade channel, lowering the quantity of vapor it contains. This strongly suggests that the hydraulic cause of the vibrations is the cavitation forming during the load rejection. However, one can note that the proposed methodologies have not permitted to predict the excitation frequencies as measured experimentally, essentially due to limitations in the modeling of cavitation.
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Pereira, Pabon Jadid Mauricio. "L'étude expérimentale du décollement à la sortie du diffuseur d'une turbine hydraulique de type bulbe." Master's thesis, Université Laval, 2018. http://hdl.handle.net/20.500.11794/28261.
Full textAbstract:
Ce projet présente l’étude expérimentale de l’écoulement à la sortie du diffuseur d’une turbine de type bulbe. La technique de mesure d’anémométrie laser à effet Doppler (LDV) a été utilisée pour les trois montages expérimentaux, situés au-dessus et sur les deux côtés du diffuseur pour obtenir les trois composantes de vitesse. Une importante chute de rendement a été mesurée dans un modèle réduit d’une turbine de type bulbe opérant à forte charge. Des études précédentes ont relié la chute de performance avec les pertes du diffuseur, et en particulier avec la zone de séparation de l'écoulement aux parois du diffuseur. Dans la présente étude, l'écoulement a été étudié à la sortie de la trompette de la turbine, qui est une section du diffuseur qui permet de passer d'une section circulaire à une section rectangulaire. La turbine a été étudiée pour cinq conditions d'opération, qui représentent les différents phénomènes de l'écoulement à la sortie du diffuseur. En plus du champ de vitesse, l'analyse a été effectuée pour le coefficient d’intermittence de la vitesse débitante et pour la composante de la vorticité autour l’axe axial Z. Les résultats révèlent une zone contrarotative dans le diffuseur, qui s'intensifie avec l'ouverture des directrices. L'ouverture des directrices induit une modification aux phénomènes hydrauliques : à partir d'une recirculation de l'écoulement dans la zone centrale pour la condition d'opération à plus faible charge, vers un écoulement de retour induit par la séparation de l'écoulement aux parois pour les conditions d'opérations à forte charge.This project presents the experimental study of the flow at the diffuser outlet of a bulb turbine. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on three experimentals setups located above and on two sides of the diffuser to obtain the three velocity components. An important drop in turbine performances has been measured in a bulb turbine model operated at overload. Previous investigations have correlated the performance drop with diffuser losses, and particularly to the flow separation zone at the diffuser wall. In the present study, the flow has been investigated at the exit of the turbine, which is a diffuser section that transforms from a circular to a rectangular section. The turbine has been operated at five operating points, which are representative of different flow patterns at the diffuser exit. In addition to the average velocity field, the analysis has been conducted based on a backflow occurrence function and on the vorticity level. Results reveal a counter-rotating zone in the diffuser, which intensifies with the guide vanes opening. The guide vanes opening induces a modification of the flow phenomena: from a central backflow recirculation zone at the lowest flowrate to a backflow zone induced by flow separation at the wall at the highest flowrate.
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Brugière, Olivier. "Fiabilité et évaluation des incertitudes pour la simulation numérique de la turbulence : application aux machines hydrauliques." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GRENI002/document.
Full textAbstract:
La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en œuvre l'effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d'entrée de l'écoulement; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d'essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche non intrusive de quantification d'incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d'intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d'entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d'entrée (profils de vitesse,en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L'approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d'intérêt mais également pour disposer d'une analyse de la variance qui permet d'identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d'expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d'entrée.Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d'évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d'une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d'une stratégie SGE et d'une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d'entrée permet également de proposer une démarche d'optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudiéThe reliable numerical simulation of hydraulic turbines performance requires : i) to includeinto the conventional RANS computations the effect of the uncertainties existing in practiceon the inflow conditions; ii) to rely on a LES (Large Eddy Simulation) strategy to improve thedescription of turbulence effects when discrepancies between RANS computations and experimentskeep arising even though uncertainties are taken into account. The present workapplies a non-intrusive Uncertainty Quantification strategy (NISP for Non-Intrusive SpectralProjection) to two configurations of practical interest : a Francis turbine distributor, with uncertaininlet flow rate and angle, and a draft-tube of a bulb-type turbine with uncertain inflowconditions (velocity distributions, in particular close to the wall boundaries, and turbulentquantities). The NISP method is not only used to compute the mean value and variance ofquantities of interest, it is also applied to perform an analysis of the variance and identify inthis way the most influential uncertainties. The RANS simulations, verified through a gridconvergence approach, are such the discrepancies between computation and experimentcannot be explained by taking into account the inflow uncertainties for most of the configurationsunder study. Therefore, LES simulations are also performed and these simulations areverified using an original methodology for assessing the quality of the computational grids(since the grid-convergence concept is not relevant for LES). For most of the flows understudy, combining a SGE strategy with a UQ approach yields reliable numerical results. Takinginto account inflow uncertainties also allows to propose a robust optimization strategy forthe Francis turbine distributor under study
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Dos, Santos Sena Manoel José. "Etude du comportement dynamique des roues de turbines et pompes hydrauliques pour la conception mécanique optimisée : cas d'une roue Francis." Grenoble INPG, 1999. http://www.theses.fr/1999INPG0030.
Full textAbstract:
Le travail de these a pour objectif le developpement d'une methodologie adaptee a l'optimisation du comportement dynamique de roues de pompes et de turbines hydrauliques en ce qui concerne les frequences propres et les contraintes mecaniques dues aux forces centrifuges et a un champ de pression moyen, tenant compte de l'effet de masse ajoutee du a la presence de l'eau. Les procedures d'optimisation ont ete ecrites pour le code d'elements finis ansys, permettant l'implementation de ces calculs dans le processus general de conception d'une turbine ou d'une pompe. La propriete de symetrie cyclique des geometries de turbine a ete consideree dans l'intention de diminuer le nombre de degres de liberte actifs du probleme. L'influence des efforts centrifuges sur les energies cinetiques et potentielles de l'ensemble a ete prise en compte par des matrices de rigidite supplementaires. L'approche utilise pour modeliser l'interaction fluide - structure a ete du type eulerien. Les procedures ont ete d'abord testees sur des cas de reference et l'application finale a ete realisee sur une roue de turbine du type francis. Une etude de la sensibilite du comportement dynamique de cette roue aux changements des caracteristiques geometriques (les epaisseurs de la ceinture et du moyeu) a ete realisee dans l'intention de demontrer le guidage d'un processus d'optimisation.
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Vuillemard, Julien. "Étude expérimentale de l'écoulement en entrée d'aspirateur d'une turbine bulbe." Master's thesis, Université Laval, 2016. http://hdl.handle.net/20.500.11794/26794.
Full textAbstract:
Ce mémoire présente l’étude expérimentale de l’écoulement d’entrée d’un aspirateur d’une turbine bulbe présentant une chute abrupte de performance. Des mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) ont été réalisées sur deux axes soit en aval des pales de la roue et en aval du moyeu de la roue. Une particularité de cette étude est la conception d’un montage permettant de mesurer la vitesse axiale proche de la paroi du cône. De plus, une méthode d’estimation de la vitesse radiale moyenne a été développée. Ces mesures ont permis de caractériser l’écoulement primaire et les écoulements secondaires et d’analyser leur évolution entre les deux axes. De plus, l’évolution de ces écoulements est analysée en fonction de la chute de performance de la turbine. Les principales particularités de l’écoulement sont la présence d’une recirculation sous le moyeu, d’une zone contrarotative, des sillages des directrices et des tourbillons de bout de pale.This thesis presents the experimental study of the draft tube inflow of a bulb turbine with a steep drop in performance. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on two axes: downstream of the blades of the wheel and downstream of the wheel hub. A feature of this study is the design of a setup that allows the measurement of the axial velocity near the wall of the cone. In addition, a method of estimating the average radial velocity was developed. These measurements were used to characterize the primary flow and the secondary flows and analyze their evolution between the two axes. Moreover, the evolution of these flows is analyzed according to the turbine performance drop. The main features of the flow are the presence of recirculation downstream of the hub, a counter-rotating area, the guide vane wakes and of the blade tip vortices.
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Fortin, Mélissa. "Étude numérique des phénomènes transitoires dans une turbine axiale de type hélice durant l'emballement." Master's thesis, Université Laval, 2016. http://hdl.handle.net/20.500.11794/26780.
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Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode.This work presents a numerical study of a runaway event (from the load rejection at BEP to 95% of the runaway speed) for a model propeller turbine. To do so, a numerical methodology, based on the “Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes” approach with k-ε turbulence model, is developed with the commercial CFD solver ANSYS CFX. This methodology is validated with pressure measurements on the runner blades of a propeller model turbine during a runaway event at the Hydraulic Machines Laboratory of Laval University. Comparisons between experimental pressure measurements and numerical pressure simulations in time domain and frequency domain are mainly used to validate the numerical methodology. The transient frequency analysis are performed with Wavelet to represent the time evolution of the frequency spectrum. Qualitative analysis of the hydraulic phenomena developed during the transient event are also carried out. Numerical analysis showed the development and the evolution of a vortex rope in the draft tube associated with high pressure fluctuations. Comparisons between experimental and numerical data revealed the limits of the methodology that will need adjustments for future works.
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Gouin, Philippe. "Analyse expérimentale en entrée et en sortie de l'aspirateur d'une turbine hydraulique de basse chute." Thesis, Université Laval, 2011. http://www.theses.ulaval.ca/2011/27978/27978.pdf.
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Taheri, Arash. "Detached eddy simulation of unsteady turbulent flows in the draft tube of a bulb turbine." Doctoral thesis, Université Laval, 2015. http://hdl.handle.net/20.500.11794/27061.
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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.
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Duquesne, Pierre. "Investigation expérimentale du décollement dans l'aspirateur d'une turbine bulbe." Doctoral thesis, Université Laval, 2015. http://hdl.handle.net/20.500.11794/27058.
Full textAbstract:
La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence.This thesis presents an experimental investigation of flow separation inside the diffuser of a small scale model of a bulb turbine. The flow separation occurs when the turbine is operated at high discharge and it reduces the diffuser effective area. In the case of bulb turbines, the kinetic energy recovered by the diffuser represents an important part of the total net head available for the runner energy extraction. The decrease of the diffuser efficiency leads to a sudden drop in the turbine efficiency and in the power extraction. The small scale model is faithful to modern turbines with a particularly divergent diffuser. The turbine performances are measured in a large range of operating conditions in order to select the most interesting ones and to investigate the parametric range of the phenomena. The pressure is measured along the diffuser by flush mounted dynamic sensors while the velocity fields inside the separation zone are obtained by a two-component PIV method. Separation observations on the wall are done using tufts. For a sufficient flow rate, the adverse pressure gradient induced by the diffuser geometry sufficiently weakens the boundary layer, thus leading to fluid ejection from the wall along a large three-dimensional envelope. The three-dimensional unsteady flow separation zone is located in the same area independently of the operating points. The flow rate increase leads to a wider separation zone occurring more frequently. The separation front fluctuates significantly both in location and in shape with no periodicity. Topological and vortex analyses on instantaneous velocity fields show a complex separation front topology which differs greatly from one realisation to another. Despite the highly turbulent flow, the separation front vortices are definitely bigger and more intense than turbulent vortices. It suggests that the roll-up mechanisms leading to separation surface vortices appear to be distinct from those of turbulent vortices.
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Moureh, Jean. "Approche numérique tridimentionnelle de l'agitation mécanique en régime turbulent." Toulouse, INPT, 1992. http://www.theses.fr/1992INPT049G.
Full textAbstract:
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
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Lugand, Thomas. "Contribution to the Modeling and Optimization of the Double-Fed Induction Machine for Pumped-Storage Hydro Power Plant Applications." Thesis, Grenoble, 2013. http://www.theses.fr/2013GRENT118.
Full textAbstract:
Les centrales hydrauliques de pompage turbinage fonctionnent principalement en utilisant des alternateurs de type synchrone évoluant à vitesse fixe. Cependant, utiliser des alternateurs à vitesse variable et, en particulier, des Machines Asynchrones à Double Alimentation (MADA) apporte des avantages non négligeables: contrôle de la puissance en mode pompe, opération au point de meilleur rendement en mode turbine et plus grande stabilité en cas de perturbation. Cette thèse a pour objectifs la progression des connaissances des phénomènes électromagnétiques régissant le fonctionnement de la MADA et d’établir une démarche en vue de son optimisation. Tout d'abord, un modèle analytique reposant en partie sur la méthode des intégrales de frontière est proposé et validé par simulations éléments finis. Ce modèle analytique prend en compte plusieurs éléments tels que la saturation du circuit magnétique, les harmoniques générés par les bobinages du stator et du rotor mais également les harmoniques dus à la forme non constante de l’entrefer. Ensuite, le modèle est appliqué à l’étude de quatre sujets d'importance pour l'ingénieur électricien: calcul des harmoniques de tension statorique à vide, calcul des pertes fer, calcul des harmoniques de couple et calcul des forces radiales électromagnétiques. Enfin une procédure de dimensionnement de la MADA reposant sur l’optimisation par algorithme génétique est décrite. Cette procédure est appliquée à la transformation d'une machine synchrone existante à pôles saillants en une MADA. Deux cas sont traités: dans un premier temps seul le rotor est remplacé tandis que le stator reste le même, dans un deuxième temps la machine est entièrement redimensionnée.Mots Clés : Centrales Hydrauliques de Pompage Turbinage, Machine Asynchrone à Double Alimentation, Machine Synchrone à Pôles Saillants, Modélisation, Optimisation, Méthodes des Intégrales de FrontièresPumped-storage hydro power plants have been mainly working with fixed-speed synchronous motor-generators. However, using variable-speed machines and more particularly, Double-Fed Induction Machines (DFIM) brings many benefits: control of the power in pump mode, operation at the best efficiency point in turbine mode, higher stability in case of a perturbation. This work improves the knowledge of the electromagnetic behavior of the DFIM and proposes an optimization process of its design. The first part develops an analytical model standing mainly on the boundary element method and validates it using finite element simulations. This model makes it possible to consider several phenomena such as the magnetic circuit saturation, the harmonics generated by the stator and rotor windings and also the harmonics due to the doubly-slotted airgap. The second part applies the developed model to four subjects of interest for the machine designer: study of the no-load stator-voltage shape, calculation of the iron losses, electromagnetic torque harmonics and radial electromagnetic forces. Finally, the third part studies the dimensioning of the DFIM by using a genetic optimization algorithm. The process is applied to the transformation of an existing salient-pole synchronous machine into a DFIM. Two cases are treated: first, only the rotor is replaced while the stator remains unchanged and second, the machine is completely redesigned.Key words: Pumped-Storage Hydro Power Plants, Double-Fed Induction Machine, Salient-Pole Synchronous Machine, Modeling, Optimizing, Boundary-Element Method
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Roman, Ortiz Edwin. "Analyse de l'écoulement dans la roue d'une turbine hydraulique axiale de type hélice : prise en considération du jeu de bout d'aube." Thesis, Université Laval, 2011. http://www.theses.ulaval.ca/2011/27999/27999.pdf.
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Beaulieu, Sébastien. "Étude expérimentale par la technique PIV de l'écoulement dans le canal inter-aube d'une turbine axiale de type hélice." Thesis, Université Laval, 2010. http://www.theses.ulaval.ca/2010/27758/27758.pdf.
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Gagnon, Jean-Mathieu. "Contribution to the study of the 3D unsteady flow in a propeller turbine." Thesis, Université Laval, 2012. http://www.theses.ulaval.ca/2012/28126/28126.pdf.
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Bouajila, Sofien. "Analyse expérimentale et numérique des écoulements à charge partielle dans les turbines Francis - Étude des vortex inter-aubes." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAI030.
Full textAbstract:
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 réduitsThe 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
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Mesnage, Hugo. "Modélisation et contrôle avancé pour les centrales de turbinage de moyenne et haute chute." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAT025.
Full textAbstract:
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 finiThe 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
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Labrecque, Yves. "Simulation numérique des écoulements dans une turbine hydraulique complète." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1999. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk1/tape8/PQDD_0020/MQ49029.pdf.
Full text
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Denis, Sébastien. "Analyse dynamique d'une ligne d'arbre verticale supportée par une butée à patins oscillants." Thesis, Poitiers, 2014. http://www.theses.fr/2014POIT2335/document.
Full textAbstract:
Les problèmes vibratoires sont l'une des principales causes des maintenances effectuées sur les turbines de barrages hydroélectrique en France. Dans cette thèse CIFRE, subventionnée par la Division Technique Générale d’Électricité de France à Grenoble, nous voulons étudier numériquement les phénomènes physiques en jeu.Pour cela, chaque partie composant ce type de machine tournante est modélisée : la ligne d'arbre, les accouplements rigides, les paliers hydrodynamiques, la butée hydrodynamique à patins oscillants, les étanchéités et les efforts électromagnétiques. Celui du rotor est basé sur une approche classique 1D, prenant en compte des défauts d'accouplement rigide. Les paliers hydrodynamiques peuvent être alimentés par des rainures hélicoïdales : ceci est pris en compte dans la modélisation des paliers via un changement de variable dans l'équation de Reynolds. Concernant la butée hydrodynamique à patins oscillants, l'équation de Reynolds est explicitée en fonction des paramètres du système (rotor et patins). Un cas test est également présenté afin d'évaluer les différentes approches possibles pour l'intégration dans la modélisation du rotor et pour mieux appréhender la réponse dynamique d'une butée. Les joints d'étanchéités sont modélisés en linéarisant les efforts hydrauliques gouvernés par les équations du "bulk-flow" et sont donc représentés par des coefficients dynamiques de masse, d'amortissement et de raideur. Les efforts électromagnétiques au niveau de l'alternateur sont pris en compte via une formulation analytique des forces d'attraction sur chaque paire de pôles. Cela permet de gérer, par exemple, des défauts d'ovalisation ou de positionnement du stator.Une seconde partie est consacrée à l'étude d'une turbine complète. Y sont présentées différentes études de sensibilités des défauts les plus courants sur ce type de machine, le but étant d'en connaître l'influence sur le comportement dynamique de l'ensemble du rotorVibration problems are one of the main causes leading to maintenances performed on the turbines of hydroelectric power generation systems in France. In this CIFRE dissertation, financed by Division Technique Générale d'Électricité de France in Grenoble, we shall numerically study the physical phenomena involved in turbine vibrations of this kind.Hence, each component of this type of rotating machinery is modeled: the rotor, the rigid coupling, the hydrodynamic bearings, the hydrodynamic tilting pad thrust bearing, the annular seals and the electromagnetic forces. The model of the rotor is based on classical 1D approach taking into account the defects of the rigid coupling. The hydrodynamic bearings can be fed by helicoidally grooves. This feature is taken into account in the numerical model of journal bearing by applying a variable transformation to the Reynolds equation. For the tilting pad thrust bearing, the Reynolds equation takes into account the displacements and the velocities of both the pads and the rotor. A test case is presented for evaluating the different numerical approaches of the tilting pad thrust bearing that can be integrated in a rotordynamic analysis. The annular seals are modeled by using linearized hydraulic efforts (i.e. stiffness, damping and added mass dynamic coefficients) modeled by the "bulk flow" system of equations. The electromagnetic efforts in the alternator are taken into account by using an analytic model of the forces of each pair of poles. This enables to tackle ovalisation or eccentricity defects of the stator.A second part is dedicated to the numerical study of a complete turbine. Different studies dealing with sensitivity analyses of most often-encountered defects of this type of rotating machinery are presented, the goal being to underline their influence on the dynamic behavior of the whole rotor
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Podeur, Vincent. "Modélisation expérimentale et numérique du power take-off d’un bassin houlomoteur." Electronic Thesis or Diss., Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2022. http://www.theses.fr/2022ENTA0005.
Full textAbstract:
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 expérimentauxThe 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
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Castrataro, Albert. "Mesure et prédiction des contraintes résiduelles dans une turbine hydraulique de type Francis." Mémoire, École de technologie supérieure, 2006. http://espace.etsmtl.ca/542/1/CASTRATARO_Albert.pdf.
Full textAbstract:
Le soudage en multipasse est une technique d'assemblage fortement répandue dans la fabrication de turbines hydrauliques de type Francis faites d'acier inoxydable CA-6NM. Les fortes températures provoquent des déformations et des contraintes résiduelles qui peuvent avoir de graves conséquences sur la durée de vie des turbines. Ce phénomène est très peu documenté dans la littérature scientifique.
La présente étude tentera de suivre l'évolution et de prédire la distribution de contraintes résiduelles et son intensité maximale au niveau des joints soudés d'une turbine. Les étapes de mise en oeuvre de l'étude sont les suivantes: premièrement des données expérimentales ont été recueillies pour connaître l'intensité de la contrainte résiduelle sur des échantillons d'acier doux et d'acier inoxydable martensitique au niveau d'un joint soudé. Deuxièmement une méthode numérique a été développée, basée sur une formule proposée par la norme ASM pour prédire l'intensité maximale au niveau d'un joint soudé à partir de mesures expérimentales sur un échantillon d'acier doux. Par la suite une relation mathématique et une méthode numérique ont été développés pour prédire la contrainte maximale dans un échantillon d'acier inoxydable martensitique de type 415.
Les résultats expérimentaux sur échantillon d'acier doux ont permis de mesurer une intensité maximale de 220 MPa en tension au centre du cordon de soudure. Alors que l'intensité maximale de l'échantillon d'acier inoxydable martensitique est de 341 MPa en compression dans le joint.
Les méthodes numériques développées dans cette étude ont permis de prédire l'intensité maximale de la contrainte avec une marge d'erreur de l'ordre de 12 et 9% pour les échantillons d'acier doux et d'acier inoxydable martensitique respectivement.
L'approche expérimentale consiste à suivre l'évolution des contraintes pendant un cycle complet de fabrication d'une turbine. Des mesures par jauges de déformations ont été prises entre les différentes phases de fabrication, soient l'usinage, la soudure et le traitement thermique. De plus des mesures en continu ont été enregistrées pour suivre les variations de températures et de contraintes pendant le soudage.
Globalement les mesures prises sur la turbine ont permis d'établir le niveau de contrainte moyen à 155 MPa, mesuré en tension, après usinage des aubes. Les mesures en continu durant le soudage ont donné une variation de 47 MPa en tension. On a constaté que le niveau de contrainte a augmenté proportionnellement avec la température pendant le soudage. Par ailleurs, lors de la soudure, lorsque la température locale de la turbine diminuait, les contraintes ne suivaient pas la même évolution que la température. L'hypothèse de l'effet de bridage a été amenée. Durant le traitement thermique, une relaxation de 169 MPa a pu être mesurée, alors que le niveau de contrainte final se situe entre 33 et 51 MPa, en compression sur l'extrados de l'aube à sa sortie. On remarque que le niveau de contrainte final n'est pas nul. Par contre, les contraintes de compression sont bénéfiques aux endroits sollicités en tension.
Finalement la méthode numérique développée pour les aciers inoxydables martensitiques n'a pu être vérifiée pour faire la prédiction de la contrainte maximale dans un joint soudé d'une turbine faite d'acier. CA-6NM par manque de données expérimentales.
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St-Hilaire, Antoine. "Prévision du comportement en cavitation d'une turbine hydraulique à partir d'un calcul d'écoulement stationnaire." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 2000. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk1/tape4/PQDD_0020/MQ53983.pdf.
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Taraud, Jean-Philippe. "Recouvrement de géométries complexes et applications pour l'étude d'une turbine hydraulique de type bulbe." Thesis, Université Laval, 2014. http://www.theses.ulaval.ca/2014/30786/30786.pdf.
Full textAbstract:
Ce travail de recherche a pour objectif de caractériser les pièces de la roue et de la trompette d’une turbine bulbe à partir d’un modèle réel. Suite à la reconstruction du modèle numérisé de la roue, cette géométrie sert de base pour le développement d’une aube instrumentée pour des mesures de pression. Un appareil de mesure laser sans contact est utilisé conjointement avec un bras de mesure portable de précision afin de récupérer les géométries du modèle sous forme de nuages de points. Ils sont ensuite traités dans un modeleur 3D afin d’obtenir la géométrie numérisée. Des analyses de déviations sont effectuées pour valider les modèles informatiques, quantifier les déviations et le respect de la norme CEI60193 par la roue. Une aube de roue instrumentée avec capteurs de pression embarqués est finalement développée pour investiguer les fluctuations de pression sur la roue en régime permanent et transitoire.This research work deals with the geometry recovery of the runner and the draft tube of a bulb turbine, based on the real scale model. Once the geometry recovery of the runner completed, this computerized geometry allows to design an instrumented blade with embedded pressure sensors. A non-contact laser scanner on a precision measuring arm is used to create precise and detailed point clouds of the runner and draft tube geometries. Then, these point clouds are processed in a computer-aided design (CAD) software, in order to achieve a precise computerized geometry of the model. Deviation analyses allow to quantify the deviations so as to validate the CAD geometries and the IEC60193 standard agreement for the runner. Finally, a new instrumented blade with thirty embedded pressure sensors is developed so as to investigate pressure fluctuations in the runner in constant and transient operating conditions.
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Tavares, Da Costa Carlos. "Méthodes de commande adaptative par supervision pour la régulation d'un générateur entrainé par turbine hydraulique." Grenoble INPG, 1999. http://www.theses.fr/1999INPG0188.
Full textAbstract:
Aujourd'hui encore, les techniques les plus utilisées pour la commande des systèmes de puissance sont basées sur les modèles linéarisés du système et permettent de réaliser des compensateurs à paramètres fixes. Ces techniques ne prennent pas en compte les fréquentes variations des conditions de fonctionnement des turbogénérateurs. Il faut donc envisager d'avoir recours à des techniques qui s'adaptent à tout le domaine possible des conditions de fonctionnement du système. De telles commandes adaptatives nécessitent un niveau de supervision pour que leur implémentation soit performante. Ce travail analyse les apports d'un niveau de supervision dans la commande adaptative appliquée à la commande des turbogénérateurs. La supervision est réalisée pour : améliorer le processus d'identification d'une commande adaptative auto-ajustable ; déterminer un modèle paramétrique, à partir des règles de logique floue sur un réseau de modèles locaux ; et programmer les gains du compensateur, à partir des règles de logique floue sur un réseau de compensateurs locaux. Ces techniques de commande par supervision réalisent à la fois la commande de l'excitation du système monovariable (SISO) et la commande simultanée de l'excitation du système et de la vitesse de rotation de la turbine. L'application de cette commande adaptative avancée à un système de puissance a requis le développement d'un simulateur générique d'un turbogénétateur sous MATLAB/SIMULINK. Des testes simulés permettent de mettre en valeur les apports et les limitations des méthodes proposées.
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Ercolino, José. "Modélisation en régime nominal et partiel de l'écoulement méridien dans les turbomachines axiales et hélicocentrifuges." Phd thesis, Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2001. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00000250.
Full textAbstract:
Lors de cette étude, nous avons développé un code d'analyse rapide de l'écoulement méridien dans les turbomachines. Ce code est basé sur la résolution des équations dynamiques moyennées qui régissent l'écoulement interne stationnaire et non visqueux dans le repère relatif. On a utilisé une combinaison linaire des équations de quantité de mouvement selon les directions axiale et radiale pour éviter au terme source des équations de devenir singulier. Le modèle ainsi développé est particulièrement adapté au cas le plus général des machines de compression; à savoir, les machines mixtes. On a développé également les équations permettant, à l'aide de l'hypothèse d'un nombre infini d'aubages et en supposant l'écoulement axisymétrique, de calculer à la fois les forces d'aubages et la cinématique simplifiée de l'écoulement aube à aube. Celle-ci prend en compte les données géométriques fournies par les constructeurs ou les logiciels de conception globale. Cette dernière démarche assure une liaison très efficace dans le cadre de l'avant-projet des turbomachines où, dans une première approche d'optimisation, la géométrie des pales est introduite de manière très simple. Les résultats obtenus semblent très cohérents en débit nominal mais également en débit partiel comme le montrent les comparaisons qualitatives avec des résultats d'essais.
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Pineda, Rondon Saira Freda. "Numerical prediction of cavitation erosion." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEC031/document.
Full textAbstract:
La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface de la machine. Ceci entraîne des conséquences négatives, telles que l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine. L’effondrement d’une bulle de gaz non-condensable dans l’eau est simulé en utilisant la méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et l’équation d’état de gaz parfait pour le gaz non-condensable à l´ıntérieur de la bulle. Les deux phases sont modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas considéré. La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach atteint des valeurs de 0.5, la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des écoulements monophase et multiphases. L’effondrement de la bulle près d´une paroi a été abordé comme le mécanisme fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le centre de la bulle et la paroi (H0), la taille de la bulle (R0) et le taux de pression qui entraîne l’effondrement (pw/pb). Il est démontré que l’intensité de l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide et la bulle (pw/pb). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi, l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau, servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle initialement située à une distance inférieure à H0/R0 = 2 présente un haut potentiel d’endommagement. Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette zone peut être sujette à une déformation plastiqueHydraulic turbines can experience cavitation, which is a phenomenon occurring when vapor bubbles collapse in the vicinity of the machine’s surface. This phenomenon can lead to negative consequences, such as erosion, that affect the machine’s performance. The compression of a non-condensable gas bubble in water is simulated with the Smoothed Particle Hydrodynamics method following the Arbitrary Lagrange Euler approach (SPHALE), where a compressible and multiphase model has been developed. The model solves the mass, momentum and energy conservation equations of the Euler system using the Stiffened Gas EOS for water and the ideal gas EOS for the non-condensable gas inside the bubble. Both phases are modeled as compressible and the phase change is not considered. The meshless feature of the SPH-ALE method allows the calculation of multiphase flows where the interface is sharply defined. For cavitation applications, where the Mach number reaches values of 0.5, the distribution of particles must be corrected, which is achieved by the ALE feature. The compressible model was validated through monodimensional configurations, such as shock tube test cases for monophase and multiphase flows. The bubble compression close to the wall has been addressed as the fundamental mechanism producing damage. Its general behavior is characterized by the formation of a water jet and by the collapse of the bubble by itself. The phenomenon is analyzed by considering the major parameters that govern the bubble collapse dynamics, such as the initial distance between the bubble center and the wall (H0), the bubble size (R0), and the collapse driven pressure ratio (pw/pb). It is shown that the intensity of the collapse depends mainly on the pressure ratio between the liquid and the bubble (pw/pb). As well, four indicators, such as the pressure at the wall, the impulse, the water-hammer pressure and the water jet velocity, are used to determine the loading. This analysis gives that the bubble initially located at a distance lower than H0/R0 = 2 presents high potential to cause damage. In order to predict the damage due to the bubble collapse, the solid mechanics is analyzed through fluid-structure interaction simulations. It is obtained that the material reacts to the hydraulic loads by having compression and traction zones, suggesting that a fatigue mechanism drives the damage phenomenon. Additionally, it is found that the highest stresses are located below the material surface, indicating that this zone may reach plastic deformation
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Kolebina, Natalia. "Caractérisation des properiétés d'aciers supermartensitiques pour une optimisation de procédés de mise en forme d'éléments de turbine hydraulique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAI093.
Full textAbstract:
La fabrication des composants d'une turbine hydraulique est un procédé complexe, couteux et nécessite beaucoup de métal. Une possibilité d'améliorer ce procédé est d' obtenir des formes complexes, ce qui va réduire la quantité de soudage et de post-traitement. Le nouveau procédé nécessite l'étude de nouveaux matériaux, qui possèdent une déformabilité élevée et répondent aux exigences du matériau pour une application dans les turbines hydrauliques. Les aciers supermartensitiques sont attractifs, car ils possèdent la combinaison exceptionnelle d'une haute résistance à la corrosion, une bonne soudabilité, une résistance à la traction élevée et un comportement ductile.Le but de ce travail est la détermination et la modélisation du comportement d'un acier supermartensique à hautes températures pour contrôler et optimiser le procédé de mise en forme à chaud de composants d'une roue d'une turbine hydraulique.Des paramètres différents affectent la mise en forme à chaud de l'acier. D'un côté, la connaissance de la microstructure et des transformations de phase est nécessaire pour optimiser la température du mise en forme et analyser les résultats, d'un autre côté, des essais mécaniques doivent être réalisés pour déterminer le comportement à haute température de l'acier et ses lois de comportement, ce qui permettra de modéliser le procédé de mise en forme. Ainsi, une étude détaillée de la microstructure et des transformations de l'acier supermartensique est d'abord présentée. Il a été démontré que le traitement thermique peut améliorer la microstructure du matériau et supprimer les hétérogénéités provenant de la fabrication de l'acier. Ensuite, le comportement mécanique à haute température a été étudié. Des essais de traction ont été effectués dans l'intervalle de température de 650 ° C à 1100 ° C à des vitesses de déformation entre 0,0004s-1 et 0,04s-1. Les influences de la température, de la vitesse de déformation, de la taille des grains, de la teneur et de la morphologie des phases sur le comportement mécanique ont été analysés. En outre, la caractérisation qualitative de l'endommagement a été effectuée dans le domaine austénitique. Finalement les lois de comportement ont été déterminées et la modélisation de la mise en forme à chaud d'un acier supermartensitique a pu être entreprise. Des exemples de deformation en flexion, correspondant à des formes réelles complexes, sont présentés.Les résultats de l'étude des aciers inoxydables supermartensitiques et de leurs lois de comportement à chaud permettent d'optimiser le processus de formageThe current manufacturing of hydraulic turbine components is complex, metal-consuming and expensive process. The one way of improving this process is forming complex shapes that will decrease the amount of welding and post treatment. The new forming process requires the investigation of new materials having good deformability and satisfying the requirements to material for hydraulic turbine application. The supermartensitic steels are attractive as they have exceptional combination of high corrosion resistance, good weldability, tensile strength and ductile behavior.The aim of this work is the determination and modeling of supermartensitic stainless steel behavior at high temperature to control and optimize process of hot forming the parts of hydraulic turbine runner.Different parameters affect the hot forming of steel. On the one hand, the knowledge about steel microstructure and transformation is needed to optimize temperature of forming and analyze results, and on the other hand, the mechanical experiments need to be performed to determine high temperature behavior of steel and constitutive law which allow to model process of forming. Thus firstly detailed study of microstructure and transformation of supermartensitic steel is presented. It has been demonstrated that the heat treatment can improve microstructure of material and exclude disadvantage of steel making. Then the mechanical behavior at high temperature was investigated. Tensile tests were carried out in the interval of temperature from 650°C to 1100°C at strain rate in range from 0,0004s-1 to 0,04s-1. The influences of temperature, strain rate, grain size, content and morphology of phases on mechanical behavior have been analyzed. Additionally brief investigation of cavities at full austenite zone has been done. Finally the constitutive laws were determined and modeling of behavior is presentede Examples of bending process are reported, corresponding to real and complex shapes of turbine parts.The presented investigation of supermartensitic stainless steel and proposed constitutive laws allow optimization the process of hot forming