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.

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 méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) est une méthode numérique sans maillage utilisée dans cette étude pour la discrétisation spatiale des équations de la mécanique des fluides (essentiellement les équations d 'Euler). La méthode SPH rencontre depuis quelques années un certain succès dans la simulation d’écoulements à surface libre car son formalisme lagrangien facilite le traitement et le suivi des interfaces. Cette étude a pour but d’appliquer cette méthode pour la simulation des écoulements â surface libre se produisant dans les turbines Pelton. Le formalisme SPH standard est tout d’abord testé, il permet de valider la faisabilité de ce choix mais montre également les limites de la méthode SPH standard, en terme de précision et de fiabilité notamment. Le choix s'est alors porté vers une formulation hybride SPH-ALE (Arbitrary Lagrange Euler) qui entretient une certaine filiation avec le formalisme des volumes finis. SPH-ALE utilise en effet une formulation conservative des équations du mouvement et est capable théoriquement de décrire l'écoulement quelque soit le déplacement des points de discrétisation. Par ailleurs, sur un plan purement numérique, ce formalisme permet l'utilisation de schémas numériques décentrés, en particulier les schémas de type Godunov et leurs variantes d’ordre supérieur. Cette méthode hybride se révèle en pratique nettement supérieure A la méthode standard pour les applications visées. La stabilité des simulations est largement renforcée, et la précision des résultats est fortement améliorée. En particulier le champ de pression retrouve une forme satisfaisante sans lissage numérique particulier. La méthode hybride facilite également le traitement des conditions limites. Alors que ce point constitue une difficulté majeure pour la méthode SPH standard, la méthode SPH-ALE permet de traiter les conditions limites à travers des flux aux frontières qui peuvent être eux-aussi décentrés. La mise en place d’un traitement cohérent et rigoureux des conditions limites constitue la principale contribution de ce travail de thèse. La méthode SPH-ALE est finalement testée sur des cas représentatifs des applications visées et fournit des résultats satisfaisants. En particulier le champ de pression en paroi solide est prédit correctement. En conclusion, les développements effectués dans cette étude ont été guidés par l'application en turbine Pelton qui était visée. La nécessité de manipuler des géométries complexes et d'obtenir un niveau de précision correct ont conduit à privilégier et à développer la méthode hybride SPH-ALE. Ce travail ouvre des perspectives prometteuses de développement rapide grâce au lien existant entre SPH-ALE et la méthode des volumes finis.

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.

Ce travail de mémoire présente la modélisation numérique et l'analyse de l'écoulement dans un seul passage de la roue d'une turbine hydraulique axiale de type hélice à l'aide du logiciel ANS YS CFX 11.0. Une approche Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), basé sur le modèle Shear Stress Transport (SST), a été utilisée pour modéliser numériquement l'écoulement. Les simulations prennent en considération le jeu à l'extrémité des aubes. Souvent, le jeu est omis dans les simulations numériques dans les roues de turbines hydrauliques. Cependant, il donne lieu à l'écoulement de fuite interne et autres phénomènes turbulents, tel que le tourbillon de bout d'aube. La comparaison des simulations avec les mesures expérimentales réalisées dans la roue du modèle réduit de la turbine hélice démontrent que l'inclusion du jeu dans les simulations est essentielle pour mieux représenter les caractéristiques réelles de l'écoulement dans la roue de la turbine hélice et ainsi améliorer la prédiction de la performance de la roue d'une turbine hydraulique axiale.

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.