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De meilleurs outils d’analyse pour les turbines hydrauliques et les hélices marines

Des chercheurs financés par l’UE ont mis au point des outils de calcul de pointe pour améliorer la conception des machines tournantes hydrauliques et des hélices marines.
De meilleurs outils d’analyse pour les turbines hydrauliques et les hélices marines
La mécanique des fluides numérique (MFN) est aujourd’hui largement utilisée pour concevoir des équipements hydrauliques pour les projets hydroélectriques. Autrefois considérée comme un outil réservé à l’industrie aérospatiale, la MFN est désormais un outil incontournable pour augmenter les performances et réduire les coûts des machines hydrauliques.

Les applications de la MFN vont au-delà de la simple conception des turbines, servant également à détecter et à identifier les problèmes de fonctionnement d’ordre hydraulique sur les machines existantes. Le projet ACCUSIM, financé par l’UE, a été mis en place pour développer des outils numériques fiables et des méthodes d’analyse détaillée des écoulements turbulents afin de faciliter la conception de puissantes machines hydrauliques et hélices marines. «La modélisation numérique et l’analyse des écoulements des turbines hydrauliques, des pompes et des hélices marines permettent d’identifier l’origine du problème et de mettre au point des solutions alternatives, réduisant le nombre de modèles réduits de roues à fabriquer et, par conséquent, le coût des tests de performance des machines hydrauliques», constate le Dr Aljaž Škerlavaj, coordinateur du projet.

Une modélisation avancée des machines tournantes

Au cours des 15 dernières années, le développement de méthodes numériques efficaces et faciles à appliquer pour les simulations d’écoulement s’est amplifié de façon considérable. Grâce à des modèles d’analyse de flux pour les pièces de turbine rotatives et non rotatives ainsi qu’à des plateformes de calcul plus puissantes, il est devenu possible d’effectuer une analyse couplée de la turbine dans son ensemble dans un laps de temps raisonnable. Les modèles turbulents avancés des écoulements instationnaires ont permis aux chercheurs d’obtenir des prédictions numériques qui sont tout à fait en accord avec les résultats expérimentaux.

Alors que les simulations de pointe en MFN reposent principalement sur les modèles de turbulence RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes), certaines classes de flux sont mieux simulées par des modèles qui décomposent une partie du spectre de turbulence dans au moins une partie du domaine du flux numérique. Ces méthodes sont désignées par le terme de modèles de simulation multi-échelle.

Les chercheurs du projet se sont notamment concentrés sur la modélisation des écoulements turbulents instationnaires et des effets de cavitation dans les turbines Francis et les turbines axiales en utilisant des modèles de turbulence multi-échelle. Jusqu’à présent, la conception de ces turbines a été abordée par le biais de simulations en régime permanent, car les simulations en régime transitoire nécessitent un effort de calcul conséquent. Les phénomènes de cavitation se traduisent par la formation de bulles de vapeur dans les zones du liquide où la pression est faible. Dans les hélices et les pompes, la cavitation provoque beaucoup de bruit, des dommages, des vibrations ainsi qu’une perte d’efficacité. L’application de modèles de cavitation calibrés s’est avérée essentielle pour obtenir des prédictions précises sur le débit de cavitation dans les turbines hydrauliques et les hélices marines.

Activités de diffusion

L’équipe d’ACCUSIM a participé à deux ateliers de test. Le premier était un atelier sur la prédiction de la cavitation et des performances de l’hélice en écoulement oblique. Les chercheurs ont eu accès à la géométrie ainsi qu’aux conditions initiales et limites nécessaires. Le deuxième atelier était le premier d’une série de trois ateliers où les chercheurs ont pris part à des expériences accessibles au public. Les chercheurs ont eu accès à un jeu de données entier pour la conception d’une turbine Francis. Le premier atelier était centré sur la modélisation du fonctionnement de la turbine en régime permanent, alors que les deux autres portaient sur les conditions de fonctionnement en régime transitoire, comme la variation de la charge et le démarrage-arrêt, ainsi que sur l’interaction fluide-structure.

En utilisant des codes classiques de MFN comme ANSYS CFX et OpenFOAM, l’équipe du projet est parvenue à produire certaines des données simulées les plus précises des deux ateliers – en ce qui concerne l’hélice, il s’agissait de la forme du modèle de cavitation et de la poussée de l’hélice, alors que pour la turbine, il s’agissait des prédictions en matière d’efficacité, de charge hydraulique, de débit massique et de couple.

Les résultats de l’équipe d’ACCUSIM ont été diffusés dans de nombreuses publications destinées à la communauté scientifique. Des conférences dans des écoles, des tutoriels, des conférences et des cours d’été ont permis de toucher le grand public. Le site web du projet contient plus d’informations.

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

ACCUSIM, mécanique des fluides numérique (MFN), turbine hydraulique, simulation multi-échelle, ANSYS CFX, OpenFOAM