Dans une installation hydraulique, l'optimisation des paramètres de réglage du système de contrôle commande constitue une préoccupation prépondérante. Jusqu'à présent, il n'y a pas d'un modèle capable de décrire le fonctionnement d'une turbine Francis sur tout le domaine d'exploitation. Les différentes modalités de caractérisation utilisées jusqu'à présent se vérifient de plus en plus insuffisantes pour une demande d'augmentation des performances des systèmes hydroélectriques. Suite à ce manque nous avons été amené à réaliser une modélisation, une étude numérique ainsi qu'une etude expérimentale de la turbine. Notre modèle est basé sur la représentation simple des pertes dans les différents composants de la turbine. Les coefficients de pertes sont estimés par une technique d'identification à partir des données expérimentales. Les résultats obtenus pour différentes turbines sont satisfaisants. Nous avons réalisé trois schémas de validation, générale, analyse de fiabilité et validation séparative. Les résultats ont montré une bonne concordance entre les estimations de notre modèle, les simulations numériques réalisés sur NUMECA et les essais expérimentaux. Nous avons ainsi pu conclure sur la validité de notre modèle. L'étude de l'influence du nombre de Re, des effets d'obstacle, des fuites et du couple mécanique supplémentaire ont permit de ressortir certains résultats intéressants. Cette modélisation constitue un outil efficace de première estimation des pertes de charge dans chaque composant de la turbine Francis. Le logiciel réalisé constitue un élément de base solide pour l'étude du fonctionnement en régime dynamique de ce type de turbine.

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.

Ce projet de maîtrise vise à faire une caractérisation préliminaire de l'écoulement d'une turbine Francis de moyenne chute au régime sans charge dans le cadre du projet Tr-Francis au Laboratoire de machines hydrauliques. Concrètement, le projet a validé la méthodologie numérique utilisée à l'aide de mesures expérimentales préliminaires. De plus, les simulations numérique sont permis de fournir les chargements fluides afin que des simulations structurelles puissent être réalisées. Finalement, les résultats ont permis de cibler les structures dominantes dans l'écoulement qui causent les plus importantes fluctuations de pression et ainsi aider l'équipe expérimentale à positionner les capteurs de pression et à choisir leurs plans de mesures. Pour y arriver, la méthodologie est basée sur des interpolations de mesures effectuées par Hydro-Québec au régime sans charge sur le prototype. Les données sont prises telles quelles pour les simulations effectuées à l'échelle prototype et elles sont mise à l'échelle grâce aux lois de similitude de la norme IEC 60193 pour les simulations à l'échelle modèle. L'effet des conditions d'entrée dans le domaine est étudié sur des domaines partiels avec des maillages de différentes densités ainsi que sur le domaine complet. Les pressions obtenues numériquement dans l'aspirateur sont comparées aux mesures expérimentales préliminaires et les résultats sont concordants. De plus, les poches de cavitations observées numériquement au bord de fuite remontant sur le côté pression des aubes sont, de plus, confirmées par l'expérimentation. Des analyses fréquentielles à partir des signaux de pression sont utilisées dans ce projet afin de caractériser les phénomènes. En plus d'utiliser différentes méthodes de visualisation numériques afin d'isoler et d'analyser les structures principales dans l'écoulement. Imposer un profil de vitesse uniforme comparativement à un profil de vitesse tiré de simulations de la bâche et de la conduite d'amenée ne modifie pas les résultats significativement à l'échelle modèle avec le maillage le plus fin. Lors des simulations avec le domaine complet, plusieurs phénomènes d'importances ont été observés. Notamment des tourbillons inter-aubes, qui ont une modulation à f/n = 1, une importante zone de recirculation dans l'aspirateur qui remonte jusque dans la roue, des tourbillons à l'interface entre la roue et l'aspirateur qui se développent dans la couche cisaillée, un débalancement de l'aspirateur causé par le coude ainsi qu'une zone cavitante au bord de fuite.

Les machines hydrauliques sont conçues pour fonctionner essentiellement autour du point de fonctionnement nominal. Cependant, afin notamment d'intégrer les énergies renouvelables sur le réseau, ces machines hydrauliques doivent nécessairement faire preuve de flexibilité. Ainsi, la plage de fonctionnement des turbines Francis cherche à être étendue, notamment pour des fonctionnements à des débits plus faibles. Lorsqu'une turbine Francis fonctionne avec un débit compris entre 30 et 60% du débit nominal, l'écoulement dans la roue est caractérisé par la présence de vortex entre les aubes. Dans ces conditions, des contraintes dynamiques apparaissent dans la roue et peuvent réduire la durée de vie de la machine à cause du phénomène de fatigue mécanique. Cette étude a pour objectif d'améliorer la compréhension de la dynamique de ces phénomènes à travers une approche numérique. Des simulations ont été effectuées avec plusieurs approches de la turbulence : des simulations stationnaires (RANS), des simulations instationnaires avec une approche hybride de la turbulence (SAS) et la Simulation des Grandes Echelles (SGE).Les simulations stationnaires permettent de comprendre les phénomènes à l'origine de la formation de ces vortex. L'analyse présentée dans ce travail montre que les vortex inter-aubes sont générés à cause d'une mauvaise incidence en entrée de la roue ou à cause d'une zone de recirculation sous la roue. Différentes topologies de vortex sont mises en évidence, générées par la compétition de ces deux phénomènes. Le chargement dynamique doit être connu afin d'évaluer précisément la durée de vie d'une roue. Plusieurs points de fonctionnement ont été simulés avec des calculs instationnaires afin de comprendre comment les fluctuations de pression dépendent du point de fonctionnement de la machine. La localisation des fluctuations de pression et les fréquences associées ont été analysées et comparées à des mesures expérimentales effectuées sur un modèle réduit. Les résultats montrent que les simulations SAS permettent de mettre en évidence des mécanismes à basses fréquences de ces écoulements de charge partielle. Cependant, les fluctuations à hautes fréquences sont largement sous-estimées par cette approche. Plus particulièrement, une signature fréquentielle large bande, caractéristique de l'écoulement de charge partielle, n'est pas prédite par ces simulations. La SGE a été utilisée afin d'améliorer la prédiction de ces hautes fréquences et de comprendre l'origine de ces phénomènes instationnaires. Les résultats démontrent la pertinence de l'utilisation de ce type d'approche numérique en mettant en évidence des sources d'instabilités hautes fréquences dans la machine.

This book gathers a collection of extended papers based on presentations given during the SimHydro 2017 conference, held in Sophia Antipolis, Nice, France on June 14–16, 2017. It focuses on how to choose the right model in applied hydraulics and considers various aspects, including the modeling and simulation of fast hydraulic transients, 3D modeling, uncertainties and multiphase flows. The book explores both limitations and performance of current models and presents the latest developments in new numerical schemes, high-performance computing, multiphysics and multiscale methods, and better interaction with field or scale model data. It gathers the lastest theoretical and innovative developments in the modeling field and presents some of the most advance applications on various water related topics like uncertainties, flood simulation and complex hydraulic applications. Given its breadth of coverage, it addresses the needs and interests of practitioners, stakeholders, researchers and engineers alike.