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Investigation numérique de la perte de rendement à l'avant- distributeur de deux turbines Francis

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Martineau Rousseau, Philippe (2014). Investigation numérique de la perte de rendement à l'avant- distributeur de deux turbines Francis. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’objectif de ce mémoire est de déterminer l’augmentation de rendement due à la modification de l’avant-distributeur par la simulation simultanée de l’écoulement dans les composantes noyées de deux turbines hydrauliques. Cette méthode de simulation, par les équations RANS instationnaires, vise à déterminer l’effet de la réduction de la perte de rendement à l’avantdistributeur sur les composantes avals de la turbine. Pour y parvenir, une méthodologie de simulation, par accroissement de la taille des domaines de simulation, est mise en oeuvre jusqu’à l’obtention des simulations de turbine complète. Les simulations de domaine réduit évaluent l’influence des paramètres de simulation et la possibilité d’un domaine de taille réduite à capter la diminution de la perte de rendement par la modification de l’avant-distributeur.

Les simulations de turbine complète montrent que la source principale de réduction de la perte de rendement provient de la modification même des avant-directrices. Celle-ci élimine le décollement de la couche limite à leur bord d’attaque et l’importante zone de recirculation dans la double-grille. La réduction de la perte de rendement dans la roue diminue en comparaison à celle dans la double-grille. Selon l’analyse des simulations de turbine complète et la comparaison avec celles de bâche avec la double-grille, la roue uniformise l’écoulement à son entrée. Ainsi, la faible variation de la perte de rendement dans la roue provient de la modification de l’écoulement moyen par le décollement de la couche limite à l’avant-distributeur. Ensuite, l’écoulement très similaire à la sortie de la roue, mis à part un point d’opération différent entre la géométrie originale et modifiée, admet une très faible variation de la perte de rendement dans l’aspirateur. L’effet de la seule différence de l’écoulement est également vérifié avec une précision accrue par des simulations d’aspirateur seul.

Ces résultats montrent que la méthodologie numérique utilisée pour les simulations de turbine complète semble incapable de déterminer toute la réduction de la perte de rendement mesurée expérimentalement. Il apparait que les paramètres numériques mis en oeuvre montrent possiblement l’atteinte des limites d’une modélisation RANS de l’écoulement dans l’ensemble de la turbine hydraulique pour déterminer une réduction pointue de la perte de rendement. Pour cette raison, il est préféré l’usage des simulations des composantes fixes en amont de la roue dû aux ressources informatiques nécessaires à leur réalisation par rapport à la précision de leur évaluation de la perte de rendement.

Titre traduit

Numerical investigation of head losses at the stay vanes of two Francis turbines

Résumé traduit

The objective of this work is to determine the efficiency augmentation due to stay vanes modification by full turbine flow simulation of two hydraulic turbines. This method of simulation with unsteady RANS equations aims to determine the effect of reducing the head losses at the stay vanes on the downstream components of the turbine. To achieve this objective, a methodology of simulation by increasing the size of the turbine simulation domains is developped. It assesses the impact of simulation parameters and the capacity of smaller simulation domain to evaluate head losses reduction by stay vanes modification.

Complete turbine simulations show that the main source of head losses reduction is from the stay vanes modifications. These eliminate the boundary layer separation at their leading edge and the large recirculation zone in the turbine stator. Head-losse reduction in the runner is mitigated in comparison to that in stay vanes. It is shown that the runner uniformizes the flow at its entrance. Thus, the small head-losse variation in the runner originates from the mean flow modification by the boundary layer separation at the stay vanes. Then, very similar flow at runner outlet, except for the different point of operation between the original and modified geometry admits a very small variation of the head losses in the draft tube. The effect of the operating point difference of the flow is also verified with a more accurate simulation of the draft tube alone.

These results indicate that the methodology used for the numerical simulations of a complete turbine cannot determine all the head-losse reduction measured experimentally. It appears that the numerical parameters implemented show the limits of RANS modeling of the flow in the entire hydraulic turbine for determining a precise reduction of the head losses. For this reason, it is wiser to prefer the use of simulations of fixed components upstream of the runner due to the computing resources needed for their implementation in comparison to the accuracy of their assessment of the head losses.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie". Bibliographie : pages 201-206.
Mots-clés libres: Turbines hydrauliques Rendement Modèles mathématiques. Turbines hydrauliques Rendement Simulation par ordinateur. Dynamique des fluides numérique. Turbulence. Équations de Navier-StokesSolutions numériques. énergie hydraulique, turbine Francis, réhabilitation, mécanique numérique de fluide, hydroélectricité
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Soulaïmani, Azzeddine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 03 juill. 2017 15:28
Dernière modification: 22 sept. 2017 18:29
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1409

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