LE BUT DE CE TRAVAIL EST DE CONTRIBUER A UNE MEILLEURE CONNAISSANCE DES ECOULEMENTS TURBULENTS QUI SE DEVELOPPENT D'UNE PART DANS LE CIRCUIT D'ALIMENTATION D'UNE TURBINE PELTON, ET D'AUTRE PART, DANS UN AUGET PELTON. L'ASPECT TRIDIMENSIONNEL DE L'ECOULEMENT VISQUEUX DANS UN ELEMENT DU COLLECTEUR (CULOTTE) DE CE TYPE DE TURBINE EST APPROCHE EN CONSIDERANT A LA FOIS LES VOIES EXPERIMENTALE ET THEORIQUE. DES MESURES SONT REALISEES DANS LES DEUX BRANCHES DE LA CULOTTE AU MOYEN D'UNE SONDE DE PRESSION DIRECTIONNELLE PERMETTANT DE DETERMINER LES TROIS COMPOSANTES DE LA VITESSE MOYENNE. AFIN D'ETUDIER L'EFFET DE DERIVATION DONNE A L'ECOULEMENT, DES MESURES SIMILAIRES, SONT REALISEES DANS UN COUDE DE MEME QUE LA BRANCHE LA PLUS DEVIEE DE LA CULOTTE. LES DONNEES RECUEILLIES METTENT EN EVIDENCE LA PRESENCE D'UNE PAIRE DE TOURBILLONS CONTRA-ROTATIFS. UNE SIMULATION NUMERIQUE (3D, VISQUEUX, TURBULENT ET STATIONNAIRE), A ETE CONDUITE SUR L'ECOULEMENT DANS LE COUDE OU SE DEVELOPPENT DES ECOULEMENTS SECONDAIRES IDENTIQUES A CEUX OBSERVES DANS L'UNE DES BRANCHES DE LA CULOTTE. LE CODE DE CALCUL MIS AU POINT A L'UNIVERSITE DE MANCHESTER (G.B.), PERMET D'OBTENIR UNE BONNE PREVISION DE L'ECOULEMENT MOYEN. UNE ETUDE EXPERIMENTALE DE L'ECOULEMENT VISQUEUX DANS DES AUGETS PELTON DE FORME ET DE GEOMETRIE DISTINCTES A EGALEMENT ETE EFFECTUEE. DEUX AUGETS SIMPLIFIES (BIDIMENSIONNEL) FIXES SONT ALIMENTES PAR UN JET DE SECTION RECTANGULAIRE. DES MESURES DE PRESSIONS STATIQUES PARIETALES AINSI QUE DES MESURES D'EPAISSEURS DU FILM LIQUIDE ONT ETE REALISEES. UNE ANALYSE COMPARATIVE DES RESULTATS D'EXPERIENCES PERMET DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE LA GEOMETRIE DES PROFILS SUR L'ECOULEMENT

La présence de surface libre dès la sortie de l'injecteur d'une turbine Pelton, rend l'étude de ce type de turbine difficile, autant d'un point de vue expérimental que numérique. Les méthodes de calcul d'écoulement avec une surface libre n'ont été mises au point qu'au début des années quatre-vingt. Celle utilisée dans ce travail est une méthode de Volume Of Fluid (V.O.F) mise en œuvre avec le logiciel FLUENT. Le but est de simuler numériquement l'écoulement au sein des augets de la roue Pelton.Un travail de validation de la modélisation est effectué par comparaison de résultats numériques, expérimentaux et analytiques, sur le cas académique de l'impact d'un jet sur une plaque plane, en deux et trois dimensions. Il est complété par la simulation de l'écoulement d'un jet sur une plaque concave. L'essentiel de la thèse concerne l'écoulement dans un auget de turbine Pelton d'abord en position fixe par rapport au jet puis en rotation. Une étude expérimentale a également été menée pour cette configuration fixe et a montré une concordance excellente des résultats numériques et expérimentaux. L'étude en rotation apporte une première analyse de l'écoulement instationnaire. Les principales caractéristiques étudiées sont la pression statique relevée sur les parois de l'auget et le déplacement de la nappe d'eau dans l'auget ainsi que son épaisseur.

La turbine Pelton est une turbine hydraulique dont le fonctionnement se caractérise par l’interaction d’un jet d’eau avec les augets d’une roue. Cette étude a pour but de comprendre les phénomènes influençant le jet et son interaction avec les augets. Pour cela deux actions différentes ont été menées. Une première a visé à caractériser expérimentalement la fragmentation d’un jet de turbine Pelton. La seconde s’est attachée à développer une méthode numérique pouvant mener`à la simulation précise de jets réels de turbines Pelton. La partie expérimentale a permis de déterminer le mode de fragmentation de ces jets (atomisation turbulente), mais aussi l’influence de la rugosité des parois de l’injecteur sur les performances de la turbine. La participation de ce travail à un projet expérimental a permis de montrer l’influence de l’écoulement en sortie d’injecteur sur la fragmentation du jet. Les phénomènes physiques influençant principalement l’évolution du jet ont ainsi été déterminés. La partie numérique a eu pour but de mettre en place une méthode permettant de simuler l’évolution d’un jet de turbine Pelton (fragmentation) et son interaction avec un auget. Etant donnés les progrès de la méthode SPH-ALE pour la simulation d’impact de jets pour les turbines Pelton, il a été décidé d’adapter cette méthode pour les simulations visées. Ainsi une étude du choix de la vitesse des interfaces de problème de Riemann a permis de réaliser un modèle multiphase stable pour les forts rapports de densité (eau-air). Cette méthode s’est avérée garantir les propriétés de continuité de vitesse normale et de pression à l’interface entre les fluides. L’ajout des phénomènes de tension de surface s’est fait par l’adaptation du modèle CSF (Continuum Surface Force) et le développement d’un second modèle nommé Laplace Law Pressure Correction (LLPC).L’intégration du saut de pression dans le solveur de Riemann a nécessité une étude précise du calcul de la courbure et a permis d’améliorer la simulation de loi de Laplace. La méthode numérique a été ensuite validée sur les cas académiques d’onde gravitaire, de rupture de barrage et d’oscillation de goutte. Les ressources en mémoire et le temps de calcul associé à cette méthode ont nécessité la parallélisation du code de calcul. Le caractère lagrangien de la méthode a très largement influencé la méthode de découpe de domaine pour permettre une bonne répartition de la charge de calcul entre les différents processeurs. En conclusion les phénomènes physiques influençant la fragmentation de jets issus d’injecteurs de turbine Pelton sont désormais mieux connus et ils ont pu être introduits dans la méthode numérique. Les prochains développements porteront sur la simulation de jets dont la condition d’entrée s’attachera à être représentative des caractéristiques d’un écoulement en sortie d’un injecteur de turbine Pelton.