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

par Grégory Guyot

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

Sous la direction de Alain Cartellier.

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 06-01-2014 .


  • Résumé

    Les écoulements présentant un risque d'entrainement d'air, qui interviennent très régulièrement lors de la transition entre écoulement à surface libre et écoulement en charge, sont au cœur de nombreux projets hydrauliques. Une meilleure connaissance du comportement des écoulements perturbés par la présence d'air permettrait d'améliorer hautement la précision et la rapidité des études traitant de la faisabilité ou du coût de futurs projets. A ce titre, une expérimentation inédite, en partenariat avec le laboratoire du CERG, a permis d'appréhender et de caractériser la distribution granulométrique de la population des bulles d'air crées par un jet d'eau vertical impactant un écoulement à fort débit. Cette expérimentation peut être utilisée pour décrire précisément la quantité d'air entrainée par le jet, la granulométrie des bulles injectées et le mécanisme d'évacuation de ces bulles dans l'écoulement en aval de l'impact. Aujourd'hui, deux puissances de jets ont été observées avec cinq débits différents, ce qui représente environ 800 points de mesure disponibles dans le panache issu du jet et près de 220 points de caractérisation du jet impactant. La richesse des données acquises n'a pas encore été pleinement exploitée. D'après la bibliographie réalisée préalablement, elles constituent un gisement unique puisque aucune expérience décrivant le comportement de l'air dans l'ensemble jet et écoulement aval n'est disponible à cette échelle de jet. L'objectif du travail de thèse sera de comprendre les mécanismes responsables de l'entrainement d'air à l'intérieur des jets et de l'écoulement aval ainsi que les effets d'échelle associés. La finalité étant de produire des relations permettant de prédire la quantité d'air entrainée par un jet en fonction de ses caractéristiques et de prévoir la cinétique d''évacuation de l'air en aval du jet. Le cas échéant, ces formules devront prédire ces grandeurs à partir d'un essai sur modèle réduit. Dans ce but, après avoir réalisé un état de l'art poussé, il est envisagé de réaliser une famille de modèles réduits permettant de balayer une large plage de taille de jets. Pour ce faire, les moyens d'essais du laboratoire du LEGI (Grenoble INP) seront utilisés pour réaliser les petites échelles ; les moyens du laboratoire LCH (EPFL) seront utilisés pour effectuer les jets de taille moyenne et l'installation EDF pourra être utilisée pour les grandes dimensions de jet. Des outils de modélisation numérique (VOF, SPH) pourront être mis en œuvre éventuellement pour faciliter la compréhension des mécanismes régissant le comportement des bulles dans l'écoulement néanmoins la priorité sera donnée aux essais expérimentaux et à leur analyse. Références [1]. A Arch, D Mayr, 2006, De-aeration of air-water flows in the tailwater channels of Pelton turbines, Hydropower & Dams Volume thirteen, Issue 2 p106-110. [2]. Bin A., Gas entrainment by plunging liquid jets, 1993, Chemical Engineering Science, Vol 48 ; N°21, pp3585-3630. [3]. , 2002, Measurements of air entrainment by vertical plunging liquid jets, Experiments in Fluids 32,pp 624–638. [4]. El Hammoumi M., Achard J. L., Davoust L., 2002, Air entrainment by a plunging jet: the dynamical roughness concept and its estimation by a light absorption technique, International Journal of multiphase flow, vol 28, issue 9, PP 1541-1564. [5]. .Falvey H.T, 1980, Air-Water Flow in Hydraulic Structures, Engineering Monograph N°41. [6]. Pfister M., 2008, Schussrinnenbelüfter, Luftttransport ausgelöst durch interne Abflussstruktur, Mitteilungen 208 ETH Zürich. [7]. : Qu, Xiaoliang; Goharzadeh, Afshin; Khezzar, Lyes; et al, 2013 Experimental characterization of air-entrainment in a plunging jet, Experimental Thermal and Fluid Science Vol 44,pp51-61. [8]. Van de Donk J.A.C, 1981, Water aeration with plunging jets, , PHD Thesis, Technische Hogeschool Delft. [9]. Wallis G.B., 1969, One dimensional two phase flow, Mac Graw Hill.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    Air-entraiment flows caused by a transition between free-surface flows and confined flows are often involved as key point in several hydro-power projects. On that concern, only few scientific references related to the huge hydro-power structures scales can be found out. An improved knowledge of the air-disturbed flows obviously enables to increase the efficiency of the design studies which tackle the feasibility or the cost of projects. Therefore it undoubtedly reduces the error bank automatically linked with the conventional method. It also allows to leverage solutions which are currently neglected due to a lack of knowledge. Hence, a unique experimentation in cooperation with the CERG laboratory has enabled to apprehend and to characterize the size distribution of the air bubbles created by a plunging jet which impacts a large discharge flow rate. This experimentation could be valuable to fairly define the air flow rate entrained by the vertical jet, the bubbles size and the degassing mechanism which exists in the downstream flow. Nowadays two jet powers have been observed with five different discharges. That means that around 800 points have been garner for the downstream flow and around 220 points have been already measured in the plunging jet. Undoubtedly the wealth of practical information hasn't been exploited. It really is a huge information resource because until now no such experience which concerned the jet and the downstream flow has been published with such large scales. The purposes of that study are to understand the mechanism which causes the air entrainment in the plunging jet, and the bubbles behavior in the downstream flow. Furthermore, the linked scale effects must be fully detailed. The aim is to determined formulae which enable to predict the amount of air entrained by a jet in function of the jet characteristics and to forecast the downstream flow degassing. If it is necessary, those formulae must forecast the previous variable from a scale model study. Toward this end, after a sharp bibliographic review, a set of scale model will be managed. This allows to investigate a wide panel of plunging jet size. In order to achieve this, The LEGI (Grenoble-INP) laboratory stand will be used to represent the small jets, the LCH (EPFL) Laboratory installations will be used the test the medium jets and the EDF installation might be used to observed the large jets Moreover, numeric models (VOF, SPH) may be deployed to ease the understanding of the studied mechanism. However priority must be given to the experimental method analysis.