Simulation numérique de l'écoulement de charge partielle dans les turbines Francis : analyse de la topologie et de la dynamique des vortex inter-aubes

Numerical simulation of the part load condition in Francis turbines : analysis of the topology and the dynamic of inter-blade vortices

• Auteur / Autrice : François Doussot
• Direction : Olivier Métais, Guillaume Balarac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Dazin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Dubief
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Dazin, Jérôme Boudet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Turbulence

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Charge partielle

Turbine Francis

Vortex inter-Aubes

Simulation des Grandes Echelles

Turbulence

Flexibilité

Part load

Francis Turbine

Inter-Blade vortices

Channel vortices

Large Eddy Simulation

Turbulence

Résumé

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.

Hydraulic machines are designed to operate in flow conditions close to the best efficiency point. However, to respond to the increasing demand for flexibility mainly due to the integration of renewable energy in the electric grid, the operating range of Francis turbines has to be extended towards smaller discharge levels without restriction. When Francis turbines are operated typically between 30% and 60% of the rated output power, the flow field is characterized by the appearance of inter-blade vortices in the runner. At these off-design operating conditions and due to these phenomena, dynamic stresses level can increase, and potentially lead to fatigue damage of the mechanical structure of the machine. The objective of this study is to present investigations on the dynamic behaviour of the inter-blade vortices and their impact on the runner by using numerical simulations. Computations were performed with different turbulence modelling approaches to assess their relevance and reliability: Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale-Adaptive Simulations (SAS) and Large-Eddy Simulations (LES). Steady simulations aimed to better understand the emergence condition of the inter-blade vortices. The analysis showed that vortices can be generated due to poor inlet adaptation at part load, however other vortices can also be due to a local backflow in the runner. The competition between these both phenomena leads to various topologies of the inter-blade vortices. The dynamic loading on the blade has to be known in order to evaluate the lifetime of the runner by mechanical analysis. Different operating conditions have been simulated by unsteady simulations to understand how the pressure fluctuations depend on the operating conditions. The localisation of the pressure fluctuations and their frequency signature have been analysed and compared to experimental measurements performed on a scaled model. The results of SAS simulations show the driving phenomena at a low range of frequencies of the dynamic of part load conditions. However the high frequency fluctuations are underestimated by this approach. Then large eddy simulations are computed to improve the prediction of this high frequency fluctuations. The study of a wide-band frequency signature is particularly detailed in this work.