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 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.

Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge.

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.

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 étudié.

Ce 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.

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.