Conception et optimisation d'une turbine à axe vertical mue par les forces de portance dans une conduite en charge

Design and optimization of a in-pipe lift-type vertical axis turbine

• Auteur / Autrice : Nicolas Maguin
• Direction : José Vazquez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 17/06/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Regiane Fortes-Patella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Dellinger, Guilhem Dellinger, Luc Heme-de-Lacotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Regiane Fortes-Patella, Olivier Mathieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Portance

Turbines hydrauliques

Génie hydraulique

Mots clés libres

Conduite en charge

Portance

Turbine hydraulique à axe vertical

Caractérisation expérimentale et numérique

Performances hydrodynamiques

In-pipe

Lift-type

Vertical axis hydro turbine

Characterization study

Aerodynamic performance

Résumé

Cette thèse s’intéresse au développement d'une turbine hydraulique mue par les forces de portance et installée dans une conduite en charge. Bien que ce type de turbine soit largement documenté en milieu infini, il n'existe que très peu de littérature à son sujet en milieu confiné. De plus, au vu de cahiers des charges présents en milieu industriel, ce système semble pertinent pour l'exploitation du potentiel des écoulements en charge. Cette thèse a alors pour objectif principal d'étudier ce type de turbine en milieu confiné. Pour cela, des études numériques 2D et 3D ont tout d'abord été réalisées à l'aide du code de calcul OpenFOAM. Elles ont permis de quantifier l'influence des paramètres géométriques et hydrauliques sur les performances de la turbine. Aussi, elles ont fourni un premier jeu de données utile à la conception d'un banc expérimental. Ce dernier, conçu et installé au laboratoire ICube de Strasbourg, a permis de réaliser la preuve de concept du système et d'étudier expérimentalement les performances de la turbine. Ainsi, après avoir caractérisé la chaîne de mesure du banc d'essais, l'instrumentation mise en place durant cette thèse a permis déterminer les performances d'un prototype de turbine et de valider les modélisations numériques.

This thesis focuses on the development of a hydraulic turbine driven by lift forces and installed in a pipe under pressure. Although this type of turbine is widely documented in infinite environment, there is very little literature about it in confined environment. Moreover, in view of the specifications present in an industrial environment, this system seems relevant for the exploitation of flows under pressure. The main objective of this thesis is to study this type of turbine in a confined environment. For this, 2D and 3D numerical studies were first performed using the OpenFOAM calculation code. They allowed to quantify the influence of the geometrical and hydraulic parameters on the performances of the turbine. Also, they provided a first set of data for the design of an experimental device. The latter, designed and installed at the ICube laboratory in Strasbourg, allowed to realize the proof of concept of the system and to study experimentally the performances of the turbine. Thus, after having characterized the measurement chain of the test bench, the instrumentation set up during this thesis allowed to determine the performances of a prototype turbine and to validate the numerical models.