Étude des pertes de charge dans un divergent par simulation numérique instationnaire

par Pedro Dias De VÉRas Sousa

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Olivier Metais et de Guillaume Balarac.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (laboratoire) et de MoST - MOdélisation et Simulation de la Turbulence (equipe de recherche) depuis le 04-06-2018 .


  • Résumé

    L'intégration croissant des énergies renouvelable intermittentes et le besoin de réhabilitation du parc de turbines hydrauliques installées forcent ces machines hydrauliques à fonctionner hors de leurs points de design initiaux. Ainsi la prédiction des performance de ces machines pour une large gamme de fonctionnement est donc un enjeu crucial en termes de compétitivité. Les simulations numériques sont moins coûteuse à mettre en œuvre que des essais physiques et peuvent fournir des bases de donnés plus complètes afin d'évaluer les performances de la turbine. Cependant, l'écoulement à travers un aspirateur de machine hydraulique est encore difficile à simuler en raison de sa complexité (instationnaire, turbulent, rotationnel, divergent…), tout particulièrement dans les zones de fonctionnement loin du point de design et si des modèles statistiques sont utilisés. Une autre source de difficulté réside dans le choix d'un domaine de calcul, car les simplifications, souvent utilisées dans les simulations des aspirateurs de machines hydrauliques, peuvent contribuer parfois à une estimation médiocre des pertes de charge. L'objectif de ce projet est développer une stratégie de simulation plus prédictive des pertes de charge en s'appuyant sur des simulations instationnaires de la turbulence et, plus particulièrement, d'étudier l'écoulement dans un diffuseur de turbine Bulbe afin de obtenir une description fine de son comportement instationnaire. À cet égard, l'approche numérique utilisée dans ce projet pour évaluer l'écoulement instationnaire sont les simulations dites des grandes échelles (SGE), dans laquelle une partie des fluctuations induites par la turbulence sont résolues explicitement et seules les petites échelles sont modélisées. Par conséquent, en utilisant SGE, les instabilités hydrodynamiques sont décrites par les parties les plus influentes de l'écoulement, alors que les approches statistiques conventionnelles, telles que les méthodes RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), peuvent faillir pour des écoulements fortement instables et instationnaires tels que ceux des régimes de fonctionnement visés.

  • Titre traduit

    Study of head losses in a divergent pipe flow by unsteady numerical simulation


  • Résumé

    The increasing integration of intermittent renewable energy sources and the need for rehabilitation of installed hydraulic turbines are frequently forcing these machines to operate far from their initial design point. Thus, predicting the performance over a wide range of operating points is crucial in terms of competitiveness. The numerical simulations are less expensive to implement than experimental tests and can provide more complete databases in order to evaluate the turbine's performance. However, the flow through the draft tube is still difficult to simulate due to its complexity (unsteady, turbulent, rotational, divergent…), especially when operating out of the design point and if statistical turbulence models are used. Moreover, determining the simulation domain is another source of difficulty, as simplifications, often used in the simulations of draft tubes, can lead to poor estimates of the head losses. The objective of this work is to develop a more predictive simulation strategy of head losses based on unsteady simulations of the turbulence and, more specifically, to study the flow through the draft tube of a bulb turbine to obtain a fine description of its unsteady behavior. In this regard, the numerical approach used in this work to evaluate the unsteady flow is the Large-Eddy Simulations (LES), in which part of the fluctuations induced by the turbulence are resolved explicitly and only the small scales are modeled. Therefore, by using LES, the hydrodynamic instabilities are described only by the most important parts of the flow, while conventional statistical approaches, such as Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) methods, can have some difficulty in very unstable and unsteady flows like those studied in this work.