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Méthodologie de validation des modèles numériques utilisés lors de la prédiction des contraintes sur les aubes de turbines hydroélectriques

Chatenet, Quentin (2016). Méthodologie de validation des modèles numériques utilisés lors de la prédiction des contraintes sur les aubes de turbines hydroélectriques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’objectif des présents travaux de recherche est de proposer une méthode cohérente pour la validation des modèles numériques employés pour estimer les contraintes mécaniques, particulièrement adaptée au secteur des turbines hydroélectriques. En effet, les modèles de simulation numérique visent à refléter la réalité physique de pièces ou de systèmes complexes de la manière la plus fidèle possible. Dès lors qu’un modèle mécanique, ou fluidique, est proposé, il est nécessaire de quantifier l’incertitude de celui-ci par rapport aux données expérimentales. Une fois ce travail réalisé, il est alors possible de comparer différents modèles entre eux et, par conséquent de valider ou non leur utilisation dans un contexte donné connu a priori. Pour ce faire, différentes approches quantitatives sont possibles. Cependant, afin de produire un travail de qualité, donnant des résultats fiables, il est primordial d’adopter une démarche rigoureuse et robuste qui laisse le moins d’interprétation possible à l’analyste. Dans cette optique, l’utilisation de la métrique de surface (Area Metric) est proposée pour quantifier les différences entre les résultats de simulation et les mesures expérimentales.

Cette méthode présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de validation classiques issues des statistiques traditionnelles et qui ne satisfont pas pour la plupart les recommandations formulées par l’ASME V&V. Celle-ci se base sur les distributions des données de simulation et expérimentales pour quantifier l’adéquation du modèle numérique par rapport à la réalité physique telle que mesurée par un dispositif expérimental ayant lui-même sa part d’incertitude. À noter que l’aboutissement de l’application de cette méthode ne formule pas de conclusion univoque quant à la validité du modèle. La métrique de surface quantifie seulement et uniquement le niveau d’adéquation. Le critère de validité est déterminé par l’analyste qui tire ensuite ses conclusions en fonction de ce niveau d’adéquation.

Cette méthode est appliquée sur un modèle complexe : une roue de turbine hydroélectrique pour laquelle des mesures in situ par jauges de déformation étaient disponibles. Deux modèles fluidiques différents sont ainsi comparés. De plus, une amélioration de cette méthode est proposée afin de pallier les limitations rencontrées pour valider un modèle de façon globale et non uniquement locale.

Cette méthode peut être appliquée pour tous types de problématiques où il est nécessaire de valider un modèle quelconque. En effet, la polyvalence de la métrique de surface peut être mise à profit pour des mesures expérimentales très abondantes (ex. répétitions) ou lorsque celles-ci sont peu nombreuses.

Titre traduit

A method for numerical model validation used to predict stress levels on a hydraulic power runner

Résumé traduit

The aim of the present research is to provide a consistent method for validation of numerical models used to estimate the mechanical stresses, particularly suited to hydroelectric turbines sector. Indeed, the simulation models are designed to reflect the physical reality of parts or complex systems in the most faithful way possible. When a mechanical or fluid model is proposed, it is necessary to quantify its uncertainty and compare with experimental data. Once the work done, it is possible to compare different models between them, and to validate or not for a given context, known a priori. To do this, different quantitative approaches are possible. However, in order to produce quality work, producing reliable results, it is essential to adopt a rigorous and robust process that leaves the least possible interpretation to the analyst. In this context, the use of the Area Metric is proposed to quantify the differences between simulation results and experimental measurements.

This method has many advantages compared to classical methods of validation from traditional statistics which do not meet most of the recommendations of the ASME V&V. This is based on the distributions of simulation and experimental data to quantify the adequacy of the numerical model from the physical reality as measured by an experimental device which has itself uncertainty. We have to stress that the result of the application of this method makes no unequivocal conclusion about the validity of the model. The area metric only quantifies the level of adequacy. The validity criterion is determined by the analyst who will draw conclusions based on the level of adequacy.

This method is applied on a complex model : a hydroelectric turbine wheel for which in situ measurements by strain gauges were available. Two different fluid models are thus compared. Moreover, an improvement of this method is proposed to overcome the limitations encountered to validate a model at an overall level, not just locally.

This method can be applied to all kinds of problems when it is necessary to validate a numerical model. Indeed, the versatility of the area metric can be used to very heavy experimental measurements (eg. replications) or when they are few.

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 mécanique". Bibliographie : pages 63-65.
Mots-clés libres: Turbines hydrauliques. Turbines Aubes. Contraintes (Mécanique) Modèles mathématiques. Incertitude de mesure. Ingénierie Méthodes statistiques. métrique, surface, validation, modèle numérique, mesures expérimentales, propagation d’incertitudes, area metric
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Tahan, Antoine
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Gagnon, Martin
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 09 janv. 2017 17:22
Dernière modification: 09 janv. 2017 17:22
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1783

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