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Conception et modélisation numérique d'une hydraulienne flottante
 

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Production d'eau potable
Production d'énergie
Conclusion


Historique

Pourquoi une
     modélisation ?

Particularités de la
     modélisation envisagée


Introduction

Présentation de StarCD

Construction du modèle

Simulations et résultats


Introduction

Bilan de l'existant

Théorie des roues à
     aubes

Modélisation numérique

Conclusion

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Historique
 

Des essais ont été réalisés en 2004 sur une maquette de la roue Fonfrede. La maquette exploitait une hauteur de chute, utilisation pour laquelle la roue a été conçue initialement.

 


source M. Fonfrede

 

En parallèle, l'inventeur avaient mandaté le CREMHyG, laboratoire d'hydraulique basé à Grenoble, pour réaliser une étude hydraulique de la roue par la modélisation.

Les principaux objectifs de cette étude étaient, d’une part, l’estimation globale de la puissance restituée (consommée par la machine) et, d’autre part, l’analyse de l’écoulement dans le canal de la machine.

Cette étude avait été réalisée à l'aide du code industriel Fluent. Les calculs avaient été menés en volumes finis, mode instationnaire 2D + surface libre en introduisant le scalaire VOF (Volume Of Fluid, sur lequel nous reviendrons plus en détails dans la suite).  

Dans ce modèle simplifié, le travail de la roue était modélisé sous la forme d’une perte de charge singulière K dans une section du canal équivalente à la sortie de roue. L'interaction réelle des aubages n'était pas prise en compte. Le réglage de la perte de charge K permettait d'obtenir les conditions restituant, une fois la convergence des calculs atteinte, les différents points de la caractéristique Puissance – Débit. Le résultat des calculs fournissait le champ de vitesse dans le canal et la vitesse moyenne de l’aubage pour le rayon moyen, ce qui donnait accès à la vitesse de rotation N.

Les résultats avaient donné des écarts relatifs de l'ordre de 40 % avec l'expérience. Cet écart important a été imputé aux pertes par chocs sur les aubages à l’entrée et à la sortie des surfaces libres (les aubes venant percuter la surface libre en entrée et soulevant des volumes d'eau en sortie). Ce phénomène, assimilable à un couple résistant, entraîne des pertes de puissance qui n'avaient pas été prises en compte dans le modèle par la nature même de sa construction. Les essais expérimentaux avaient donc notamment porté sur l'optimisation de l’orientation des aubes pour tenter de limiter ces pertes.

Le modèle utilisé surestimait donc assez largement la puissance récupérée.
L'ébauche d'un modèle plus proche de la réalité a donc été réalisée en 2007 par le CREMHyG, intégrant la rotation de la roue et toute sa géométrie, dimensions et forme des pales comprises. Le modèle avait été réalisé en 2D au vu des capacités limitées de la station de travail.

Malheureusement, les simulations n'ont pas abouti à la production de résultats exploitables : dès l’apparition d’une surface libre, les calculs étaient considérablement ralentis et finissaient par se bloquer. L’image ci-dessous a été prise juste avant que le calcul ne diverge : elle permet de voir à quel point la surface libre est perturbée en amont et en aval de la roue, mais surtout elle met en évidence des volumes d’eau transportés par les aubes et qui sont probablement responsables de la divergence du calcul.


S
ource CREMHyG

 

Il semble donc que la puissance de calcul à disposition n'ait pas été suffisante pour mener à terme un calcul diphasique instationnaire combiné à un maillage tournant. La tentative d’optimisation du modèle élaboré précédemment s'est donc heurtée aux limites de la puissance de calcul des stations de travail utilisées.

 

Pourquoi une modélisation ?  
 

Dans la mesure où le système que nous imaginons n'existe pas encore, celui-ci n'a encore fait l'objet d'aucune expérimentation. Dans son application de base (avec hauteur de chute), la roue Fonfrede récupère une énergie potentielle. Rappelons qu'il s'agit ici d'adapter le profil Fonfrede pour récupérer l'énergie cinétique seule du courant, pour une hauteur de chute nulle.

La théorie de la roue dans son application de base est simple : le calcul de la puissance maximale récupérable se ramène à celui de n'importe quelle turbine, type Kaplan/Pelton. Comme vu précédemment, la théorie s'avère insuffisante pour prévoir précisément les performances et le rendement de la roue Fonfrede placée au milieu d'un écoulement à surface libre.

De plus, la modélisation réalisée par le CREMHyG (que l'on pourrait très bien faire fonctionner dans la configuration que nous envisageons) est incomplète car le calcul numérique ne prenait pas en compte la totalité des pertes, en particulier celles dues à la pénétration des aubes (pertes par choc) dans la mesure où la roue n'était modélisée que par une simple perte de charge.

Cette modélisation a donc pour but :

  • De retrouver les résultats expérimentaux mesurés sur la maquette et de les comparer aux résultats du calcul numérique obtenus par le CREMHyG;
  • De faire ensuite fonctionner le modèle, une fois validé, dans la configuration que nous imaginons (usage sur flotteurs, sans hauteur de chute) et de confronter les résultats obtenus à la théorie des roues à aubes;
  • D'optimiser les paramètres (vitesse relative écoulement/roue, nombre d'aubes, inclinaison) afin d'obtenir le meilleur rendement et donc le meilleur coefficient de puissance possible;

 

Particularités de la modélisation envisagée  
 

La principale difficulté de ce modèle réside dans la combinaison entre le maillage glissant et le calcul diphasique surface libre air/eau, géré par le nombre scalaire VOF qui stocke pour chaque cellule du maillage la fraction massique de fluide. En effet, les aubes entrent et sortent de la surface libre en entrainant de grands volumes d’eau et d’air, ce qui demande une puissance de calcul importante.

Comme vu plus haut, la tentative de modélisation 2D VOF + maillage tournant du CREMHyG n'a d'ailleurs pas abouti. Nous allons donc tenter de réaliser notre propre modélisation à l'aide du code industriel StarCD, en espérant aller plus loin et obtenir des résultats cohérents avec la physique de l'écoulement.

 

 

Théorie des roues à aubes                     Présentation de StarCD