Contribution à la caractérisation des processus d’entraînement d’air dans les circuits d’aménagements hydro-électriques

Contribution to the characterization of the air entrainement process in the hydropower project.

• Auteur / Autrice : Grégory Guyot
• Direction : Alain Cartellier, Jean-Philippe Matas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• 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 : Élise Lorenceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Aelbrecht, Michael Pfister, Nicolas Rivière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Erpicum, Dominique Legendre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bulles -- Dynamique

Jets d'air

Mots clés libres

Entrainenement d'air

Degazage

Jet plongeant

Degassing

Plunging jet

Air entrainment

Résumé

Ce travail porte sur l’entrainement d’air créé par des jets plongeants de grandes dimensions. Les applications directes dans le monde de l’hydroélectricité sont l’optimisation énergétique des usines, la gestion de l’environnement autours des infrastructures et la prévision des impacts de crues extrêmes à l’aval des barrages. Pour maîtriser ces applications, il est nécessaire de quantifier la profondeur de pénétration du nuage de bulles, de prévoir la répartition des bulles et la quantité d’air entrainé. La revue bibliographique montre que de nombreux modèles, prédisant la profondeur de pénétration ou le débit d’air entrainé existent. Leur validité est cependant limitée à leur strict domaine d’application. Une première expérimentation a été menée sur des jets circulaires dont le diamètre est de l’ordre de dix centimètres et une longueur de chute de 2.6 m. La comparaison des résultats avec les relations disponibles montre que les modèles proposés dans la littérature ne capturent pas correctement la profondeur de pénétration, la taille des bulles générées et le débit d’air entrainé. Cette expérimentation montre de plus que les jets battent et ont un état à l’impact aéré, avec des corrugations importantes. Dans une seconde expérience, nous avons caractérisé à plus petite échelle l’influence du mouvement du jet sur la profondeur de pénétration. Il s’avère que l’oscillation du jet a une influence globale sur la diminution de la profondeur de pénétration, mais que cette influence ne suffit pas pour expliquer les écarts entre les pénétrations des jets de grande dimensions et celles prédites par différents modèles. Nous avons alors conçu et exploité un troisième dispositif, à grande échelle, pour analyser des jets dont les vitesses à la buse sont comprises entre 2 et 30 m/s, avec des diamètres de buse compris entre 24 et 213 mm et pour une hauteur de chute d’environ 10 m. Ce moyen d’essais permet aussi d’investiguer les nuages de bulles puisque les jets sont réceptionnés dans une fosse de 5 m de diamètre avec une profondeur atteignant 23 m. Le croisement des mesures réalisées par analyse des vidéos hautes fréquences de la chute des jets, de la force à l’impact et des mesures à la sonde optique dans les nuages de bulle, nous permettent de mettre en évidence que l’état du jet à l’impact a une influence significative sur l’entrainement d’air. Nous identifions clairement des jets dont les formes et les débits d’air sont différents de ceux précédemment étudiés. Notre analyse nous permet aussi de proposer un modèle simple sans aucun paramètre d’ajustement, basé sur le bilan des forces appliquées au nuage de bulle, et qui permet de prévoir la profondeur de pénétration du nuage de bulles pour une large gamme d’échelles de jet.

We study the entrainment of air created by large-dipped jets. Direct applications in the field of hydroelectricity are energy optimization of plants, environmental management around infrastructures and prediction of extreme flood impacts downstream of dams. For such applications, it is necessary to quantify the penetration depth of the bubble cloud, predict the distribution of bubbles and the amount of air entrained. Predictive models describing these three points would be key engineering tools. The literature review shows that many models, particularly those applied to penetration depth or entrained air flow, exist but are limited to a narrow range of parameters. A first experiment was carried out on circular jets with a diameter of about ten centimeters and a drop length of 2.6 m. Comparison of the results with the existing models reveals that these models do not correctly capture the penetration depth, the size of the generated bubbles or the entrained air flow rate. This experiment shows that the jets flap and have an aerated structure at impact, with significant corrugations. In a second smaller scale experiment, we have characterized the influence of the jet movement on the penetration depth. It appears that the oscillation of the jet can lead to a decrease of the penetration depth, but this influence is not sufficient to explain the differences between experiments and models in the large scale experiment. We then designed and operated a third experiment to analyze jets with nozzle speeds between 2 and 30 m/s, nozzle diameters between 24 and 213 mm for a drop height of about 10 m. It is also possible to investigate bubble clouds with this experiment, since the jets are received in a 5 m diameter pit with a depth of up to 23 m. The cross-comparison of measurements made by analyzing high-frequency videos of jet drop, force at impact and optical probe measurements in bubble clouds evidence that the state of the jet at impact has a significant influence on air entrainment. We clearly identify jets with different shapes and air flows than those previously studied. Our analysis also allows us to propose a simple model without any adjustment parameters, based on a balance of forces applied to the bubble cloud. This model predicts the penetration depth of the bubble cloud for a wide range of jet scales.