Prediction of erosion damages in hydraulic machines for hydro-abrasive erosion

par Wiebke Boden

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Richard Perkins.

Soutenue le 20-09-2017

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Lyon) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Maria Vittoria Salvetti.

Le jury était composé de Richard Perkins, Stéphane Aubert, Jean-Christophe Marongiu, Konstantina Vogiatzaki.

Les rapporteurs étaient Peter Eberhard, Stephano Sibilla.


  • Résumé

    L’énergie hydraulique, où l’énergie cinétique de l’eau est transformée en énergie électrique, représente une contribution importante aux énergies renouvelables. L’eau qui passe par les turbines hydrauliques contient toujours une partie solide, par exemple du sable et de l’argile. Ces sédiments peuvent atteindre des niveaux de concentration élevés, ce qui nuit considérablement à la structure de la turbine par un mécanisme d’endommagement appelé érosion hydro-abrasive. Des types de turbine impliquant des vitesses d’écoulement très élevées, comme les turbines Pelton, sont particulièrement sensibles à l’érosion hydro-abrasive. Les simulations numériques présentent un moyen efficace d’étudier le sujet de l’érosion hydro-abrasive dans les turbines Pelton car elles permettent facilement la variation des nombreux paramètres. Ainsi, une réponse immédiate aux questions opérationnelles, de conception ou d’optimisation peut être obtenue. Cependant, il a été démontré que l’application des modèles d’érosion généraux et souvent utilisés ne fournit pas de résultats corrects en raison des propriétés particulières du matériel et de l’écoulement des turbines Pelton. Par conséquent, ce travail étudie le potentiel de la modélisation de l’érosion directe basée sur des principes fondamentaux. Cela implique que le mouvement des sédiments dans le fluide est simulé, leurs paramètres au moment de l’impact enregistrés et ensuite l’endommagement macroscopique global du matériel calculé sur la base des simulations de structure en microéchelle. Une formulation très appropriée pour les simulations fluides dans les turbines Pelton est une méthode sans maillage, plutôt nouvelle, qui s’appelle Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Par conséquent, la première partie de ce travail aborde la mise en oeuvre et l’évaluation d’un modèle Lagrangien de transport des sédiments dans le cadre de cette méthode où les sédiments sont transportés par une équation de mouvement. L’effet du bruit inhérent à la méthode SPH sur le mouvement des sédiments est évalué par rapport à l’effet de la dispersion turbulente des sédiments, qui a été introduite par un modèle basé sur l’équation de Langevin. En outre, les termes liés aux différentes forces dans l’équation du mouvement sont étudiés dans le cadre de la méthode SPH. Une deuxième partie de ce travail développe une approche efficace et généralement applicable pour obtenir l’endommagement globale sans adopter des modèles d’érosion. Pour obtenir cet endommagement global en macroéchelle, l’endommagement causé par un seul impact de sédiment, qui est calculé par des simulations de structure en microéchelle, est combiné avec les statistiques d’impact des simulations du fluide.


  • Résumé

    Hydraulic energy represents one important contribution to the growing source of renewable energies where the kinetic energy of water is transformed into electric energy. The water flowing through the hydraulic turbines always contains a solid part, for example sand and clay. Those sediments can reach high concentrations, harming importantly the turbine structure by a mechanism called hydro-abrasive erosion. Turbine types implying very high flow velocities, like Pelton turbines, are in particular sensitive to hydro-abrasive erosion. Numerical simulations present an efficient way to study the topic of hydro-abrasive erosion in Pelton turbines as they allow the variation of numerous parameters. Thus an immediate response to operational, design or optimization questions can be obtained. However it has been shown that the application of general, widely used erosion models do not deliver physical correct results due to the particular material and flow properties of Pelton turbines. Consequently this work investigates the potential of erosion modeling based on first principals. That means the sediment movement in the fluid is simulated, their state at impact tracked and then the overall macroscopic material damage calculated based on microscale structural simulations. A convenient formulation for fluid simulations in Pelton turbines is the rather novel, meshless method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Therefore the first part of this work addresses the implementation and evaluation of a Lagrangian sediment transport model in the framework of this method where sediments are transported by a particle equation of motion. The effect of the SPH method inherent noise on the sediment movement is evaluated against the effect of the turbulent dispersion of the sediments, which has been introduced via an ad-hoc model based on the Langevin equation. Furthermore the different force terms in the particle equation of motion are investigated with respect to the SPH method. A second part develops an efficient and general applicable approach to obtain the overall erosion damage without adopting erosion models. Therefore the damage caused by a single sediment impact is calculated by structural simulations on the microscale in a first step. In a second step that isolated damage is combined with impact statistics from the fluid simulations and hence gives the overall damage profile on the macroscale.


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