Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Méthode d'analyse des écoulements 3D à surface libre : application aux turbines Pelton

Kvicinsky, Sonia ; Avellan, François (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2526.

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    Summary
    Free surface flows are extremely complex and appear in various cases such as chemistry, oceanography, thermodynamics and turbomachinery. Their complexity is due to the fact that they are composed of two distinct phases which are only separated by a thin interface through which energy and heat transfers can occur. There are different types of free surface flows, such as liquid-liquid, illustrated by the injection of an oil droplet in water, and liquid-gas, for example bubbles in boiling water. We have focused our study on free surface flows in the field of hydraulic turbomachinery, and more precisely in Pelton turbine buckets. The theoretical and experimental studies conducted up to now have considerably enlightened the physics linked to these applications. However, there are still many mysteries left to be explored and the time spent during the design phase could certainly be reduced. Unfortunately, the codes needed to numerically model these flows have only recently appeared on the market and their reliability is therefore constantly questioned. In this study, we propose the development of a free surface flow analysis method based on a test case which approaches the Pelton bucket : the deviation of a water jet by a plane plate. This case allowed us to understand the physics of the flow, especially by comparing numerical and experimental results. Finally, based on the previous study, the flows within non-rotating and rotating 3D buckets were simulated. In parallel, transient measurements of the flows brought new insight on the detailed behavior of the water in the buckets. These numerical and experimental results were then compared in order to offer a complete validation of the proposed method.
    Résumé
    Les écoulements à surface libre sont des écoulements très complexes intervenant dans des disciplines aussi variées que nombreuses, telles que la chimie, la dynamique des océans, la thermodynamique ou encore les turbomachines. Leur complexité intervient dans le fait qu'ils comportent deux phases séparées par une interface d'épaisseur faible par laquelle s'effectue d'éventuels transferts de masse et d'énergie. On rencontre des écoulements à surface libre du type liquide-liquide tel que l'insertion d'une goutte d'huile dans l'eau ou du type liquide-gaz comme par exemple l'eau à l'état d'ébullition. Nous avons concentré notre étude sur les écoulements à surface libre dans les turbomachines hydrauliques et plus précisément dans les augets de turbine Pelton. Jusqu'à présent, les écoulements dans les augets Pelton ont fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales, permettant d'éclairer de façon notoire la phénoménologie de ce type d'application. Toutefois, il reste encore quelques mystères inexplorés et le nombre d'heures passées dans les avant-projets pourraient être diminué par une étude numérique approfondie. Malheureusement, les codes permettant d'effectuer cette modélisation numérique d'écoulements diphasiques n'ont fait leur apparition que récemment sur le marché et par conséquent leur validité est constamment remise en cause. Dans cette étude, nous nous proposons de mettre au point une méthode d'analyse de ces écoulements sur la base d'un cas test se rapprochant singulièrement du cas intéressé : la déviation d'un jet par une plaque plane. Cette recherche nous a permis d'acquérir la connaissance suffisante pour comprendre toute la physique de ces écoulements en comparant notamment la simulation numérique à la mesure. Finalement, sur la base de ce travail, l'écoulement dans un auget 3D a été simulé, en roue fixe puis en roue tournante. Les mesures instationnaires menées parallèlement apportent un éclaircissement original sur le comportement de l'eau dans les augets. Les résultats numériques ont ensuite été comparés aux mesures dans le but d'apporter une validation complète de la méthode proposée.