Simulation numérique instationnaire des écoulements turbulent dans les diffuseur de centrales hydrauliques en vue de l'amélioration des performances - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Unsteady numerical simulation of turbulent flow in hydraulic draft tube, with the aim of improving the efficiency

Simulation numérique instationnaire des écoulements turbulent dans les diffuseur de centrales hydrauliques en vue de l'amélioration des performances

Résumé

The draft tube of a hydraulic power-plant is the component under the runner where the flow is decelerated, thereby converting the excess of kinetic energy into static pressure. The flow evolving in this complex geometry is rotating and turbulent. In a power plant refurbishment case, usually only the runner and the guide vanes are optimized. The spiral casing and the draft tube are seldom redesigned. In some cases, the installation of an upgraded runner leads to an undesirable efficiency drop as the discharge is increased close to the best efficiency point value. This accident is found to be related to a corresponding sudden variation in the draft tube pressure recovery coefficient for a small discharge variation in vicinity the best efficiency point. A power plant refurbished recently and affected by the pressure drop is studied numerically. Large Eddy Simulation method has been chosen. To reduce the grid size, a new wall model has been proposed, taking into account of streamwise pressure gradient. A method to generate turbulent inflow from experimental mean velocities has been proposed. Theses procedures were implemented in the open source CFD code OpenFOAM and validated by simplified geometries. Different operating points close to the best efficiency one were simulated. Results obtained on the draft tube were compared to experimental measurements. Hence, global parameters such as the efficiency and mean velocity profiles were compared. This let us validate the methodology used. Therefore, the pressure drop was recovered and explained.
L'aspirateur d'une centrale hydraulique est le composant où l'écoulement issu de la roue est décéléré, convertissant l'excès d'énergie cinétique en pression statique. Cet écoulement en rotation est turbulent et évolue dans une géométrie tridimensionnelle complexe. Dans le cas de la réhabilitation d'une centrale existante seule la turbine et les directrices sont modifiées. Dans certains cas, l'installation d'une nouvelle roue conduit à une chute de rendement. Cet accident correspond à une variation brutale du coefficient de récupération de pression de l'aspirateur pour une très faible variation de débit au voisinage du point de rendement optimal. Le modèle d'une installation récemment réhabilitée et présentant ce phénomène, est étudié numériquement. La méthode de simulation des grandes échelles a été choisie pour simuler l'écoulement. Afin de réduire le coût du maillage, un modèle analytique de loi de paroi est développé, prenant en compte à la fois le frottement pariétal et le gradient longitudinal de pression. Une méthode est proposée pour créer un champ de vitesses turbulent à partir de champ moyen issus de mesures expérimentales. Ces méthodes sont implémentées dans le logiciel libre OpenFOAM et testées dans un premier temps sur des géométries simplifiées. Plusieurs simulations ont été réalisées sur l'aspirateur à différent point de fonctionnement de part et d'autre du point de meilleur rendement. Les résultats ainsi obtenus ont été comparés à des mesures expérimentales. Ces comparaisons ont permis de valider la méthodologie utilisée. Le phénomène de chute de rendement recherché a ainsi pu être mis en évidence et expliqué.
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Dates et versions

tel-00540181 , version 1 (26-11-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00540181 , version 1

Citer

Cédric Duprat. Simulation numérique instationnaire des écoulements turbulent dans les diffuseur de centrales hydrauliques en vue de l'amélioration des performances. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00540181⟩

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