CRITERES ICHTYOPHILES : prtude

Turbine Basse Chute VLH
Critères Ichthyophiles : préétude 8 pales
Sommaire
1 Introduction : les critères utilisés ............................................................................................ 2
2 Géométrie utilisée pour la pré-étude, maillage, conditions du calcul et résultats globaux. .... 3
3 Vérification des critères ichthyophiles................................................................................... 5
3.1 Champ de pression ........................................................................................................... 5
3.2 Gradient de pression......................................................................................................... 7
3.3 Vitesse relative ................................................................................................................. 7
3.4 Gradient de vitesse ........................................................................................................... 8
3.5 Ecoulement dans le jeu................................................................................................... 10
4 Conclusion............................................................................................................................. 11
ANNEXE ................................................................................................................................. 11
15 juillet 2005
Préétude: Critères ichthyophiles
J.L. KUENY
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1 Introduction : les critères utilisés
En 1995 le U.S. Army Corps of Engineers a organisé un workshop pour identifier les causes
de la mortalité et des dommages subis par les poissons lors de leur passage dans une turbine
hydraulique. Suite à cette analyse, des essais en laboratoire ont permis d’analyser en détail ces
phénomènes et des critères ichthyophiles ont ainsi pu être proposés. Le document rédigé par
U.S. Department of Energy, fourni en annexe, en fait la synthèse.
Les phénomènes identifiés sont les suivants :
• Dommages liés à des causes mécaniques : abrasion, broyage, risque de chocs
Ces effets dépendent de la vitesse relative par rapport aux aubes, de l’espacement entre
les aubages et composants, des vitesses dans les jeux entre pièces mobiles et fixes.
Des seuils de mortalité ont ainsi été observés :
0% pour des vitesses inférieures à 65 ft/s soit 19.8m/s et 100% au dessus de 145 ft/s
soit 44.2 m/s
Mortalité minimale pour des vitesses périphériques inférieures à 40 ft/s soit 12.2 m/s
(l’EPRI préconise 20ft/s soit 6.1 m/s)
Un jeu maximum de 2 mm entre pale et manteau est aussi préconisé
• Dommages liés à la pression et au gradient de pression.
Ces effets sont liés à la vitesse d’adaptation de la pression dans la vessie natatoire. La
valeur absolue de la pression dépend de la pression à l’amont de la turbine pour
laquelle le poisson était acclimaté. Les seuils suivants ont été définis :
69 kPa de pression minimum
550 kPa/s pour le gradient pression
• Cavitation
Le seuil critique pour σ est de ½ à 1/3 σcr.
• Turbulence
Elle est caractérisée par les gradients de vitesse. Un seuil de l’ordre de 180 m/s/m est
préconisé.
Pour évaluer la cohérence de la turbine VLH avec les critères ichthyophiles, la présente
préétude a été réalisée avec une géométrie préliminaire de roue de la turbine VLH sans
prendre en compte le distributeur. Cette roue dénommée VLH_test, est présentée ci-dessous.
Les critères ichthyophiles, éventuellement complétés, seront contrôlés pour l’ensemble de la
machine, avec la géométrie finale.
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2 Géométrie utilisée pour la pré-étude, maillage, conditions
du calcul et résultats globaux.
Les dimensions de la géométrie préliminaire de la roue de la turbine VLH sont les suivantes :
- diamètre extérieur : 4.5m
- diamètre moyeu : 2.6m (ratio : 0.6)
- dimension du jeu en bout de pales : 1.5 mm constant du bda au bdf
Figure 1 Géométrie de la roue VLH_test.
Un maillage en C a été réalisé pour un canal de roue. Il contient ~580'000 points. Le jeu en
extrémité de pales a été modélisé avec 17 couches de mailles.
Figure 2 Maillage d'un canal de roue.
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Figure 3 Détails du maillage du jeu au bord d'attaque et fuite de l'aube.
Les conditions du calcul pour ce test sont les suivantes :
Q
n
Hamont
nq
= 22 m3/s
= 36.9 tr/mn
= 2.5 m
= 87 tr/mn
Un calcul avec la géométrie du distributeur a permis de définir les conditions aux limites
suivantes imposées à l’écoulement :
- vitesse axiale presque uniforme, Cm = Q/Sentrée ~ 2 m/s, fig 4a
- vitesse radiale nulle
- vitesse tangentielle variant avec le rayon fig 4b
L’angle de calage de l’aube a été adapté à ces conditions d’entrées : βshroud = 16°.
Figure 4 Convergence du calcul.
La convergence du calcul a été observée au bout de ~500 itérations.
Résultats globaux :
- rendement de la roue :
~80 %.
- ∆UCu (amont-aval) :
20 J/kg
- Couple (axial) :
6.4 Nm
- Force axiale :
85 kN
Ces résultats ne correspondent pas encore à la configuration « optimisée » (étude en cours).
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3 Vérification des critères ichthyophiles
Pour chaque critère, l’écoulement est analysé dans les différentes couches aube à aube entre
moyeu et carter (0%)-5% 25%-50%-75%-95%-(100%) et la localisation de la valeur la plus
défavorable est réalisée.
3.1 Champ de pression
Figure 5 Pression Statique sur la roue (vue générale).
Figure 6 Pression dans couche 0% et 5%
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Figure 7 Pression dans couche 25% et 50%
Figure 8 Pression dans couche 75% et 95%
Figure 9 Pression dans couche 100% et localisation mini
La pression minimale est observée au moyeu, en pied d’aube côté dépression. L’écart par
rapport à la pression moyenne dans la section de sortie de machine est :
P * min − P * s sortie = -8'200 Pa
avec P* = P + ρgz
En supposant que la perte d’énergie massique en sortie de turbine correspond à l’énergie
cinétique massique et que l’altitude du point de pression minimale est approximativement la
surface libre aval, la pression minimale est alors de : P min = Patm − 8.2kPa ≅ 91.8kPa . Ce
critère est donc largement vérifié.
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3.2 Gradient de pression
Figure 10 Gradient de pression surfacique et iso-suface Ps>100'000 Pa/m.
On observe des gradients de pression importants dans le jeu, ce qui était attendu. Les zones où
le gradient de pression est supérieur à 100'000 Pa/m sont localisées aux bords d’attaque et de
fuite dans l’angle entre l’aube et le moyeu. Si la vitesse de déplacement du poisson est de
l’ordre de 2 m/s (ordre de grandeur de la vitesse axiale absolue de l’écoulement), le gradient
de pression vu par le poisson serait de 200 kPa/s <550 kPa/s.
3.3 Vitesse relative
côté en pression (PS)
Figure 11 Vitesse relative "externe" surfacique et zone > 11 m/s
côté en dépression (SS)
Figure 12 Vitesse relative "externe" surfacique et zone > 11 m/s
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Le maximum de vitesse relative est localisé dans la zone proche du bord d’attaque W>10 m/s
et proche du carter où elle atteint la vitesse d’entraînement (U=8.69 m/s) augmentée de la sur
vitesse de contournement d’aube.
3.4 Gradient de vitesse
Les gradients de vitesse relative sont les suivants :
Figure 13 Gradient "surfacique" de la vitesse relative W.
Figure 14 Gradient "surfacique" de la vitesse relative W et iso-surface grad(W) = 4000 [m/s/m].
Les valeurs maximales sont localisées dans le sillage et proche de la surface moyeu près du
bord d’attaque de l’aube côté ceinture et côté basse pression. Cette valeur maximale est de
l’ordre de 4000 m/s/m. Cette valeur élevée est obtenue dans la couche limite où W s’annule à
la paroi. Dès que l’on s’écarte de la couche limite, le gradient de vitesse chute fortement et on
obtient des valeurs de loin en dessous du critère préconisé de 180 m/s/m. Comme on peut le
constater sur les figures ci-dessous, dès qu’on s’écarte des aubages et du sillage, le gradient
est en dessous de 10m/s/m.
On peut donc considérer que ce critère est largement vérifié.
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,
Figure 15 Face en pression et face en dépression.
Figure 16 Iso-surface 10m/s/m.
Figure 17 Valeurs atteintes dans le sillage,
dans la couche aube-à aube 5%
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3.5 Ecoulement dans le jeu
Figure 18 Pression statique au milieu du jeu.
Figure 18 Vitesse relative sur une couche de maillage au milieu du jeu (bda et milieu de l’aube).
On constate que compte tenu du faible chargement de l’aube en bout de pale au débit nominal
pour cette turbine, les vitesses relatives dans le jeu ne sont importantes que dans la zone du
bord d’attaque et au bord de fuite. Sur toute la longueur intérieure du jeu les vecteurs W sont
pratiquement alignés avec les aubages, ce qui limite les risques de "broyage" des poissons.
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Figure 19 Vitesse relative sur une couche de maillage au milieu (bdf).
4 Conclusion
Pour cette roue préliminaire les critères ichthyophiles sont pratiquement tous vérifiés avec une
marge confortable, sauf dans des zones très localisées, comme les couches limites pour les
gradients de vitesse ou la zone de jeu en bout de pales.
Le jeu en bout de pale est une zone où ces critères sont très difficiles à satisfaire pour les
géométries classiques KAPLAN. Pour le tracé de la turbine VLH le chargement en bout de
pale sera réduit, comme pour la présente turbine, pour minimiser l’"aspiration" par le jeu de
manière à pouvoir fonctionner avec des jeux plus importants que ceux préconisés.
ANNEXE
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Document DOE/ID/13741(U.S. Department of Energy)
“ A Summary of Environmentally Friendly Turbine Design Concepts”
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