Ce projet de maîtrise vise réaliser la conception d'un générateur de tourbillons tels qu'observés à la sortie de la roue d'une turbine Francis dans des conditions de pleine charge. Le processus de conception du générateur de tourbillons est basé sur l'application d'un processus d'optimisation géométrique en ayant recours aux simulations numériques d'écoulements (CFD).

Des simulations numériques RANS et URANS multiphases ont d'abord été réalisées sur le cas test du projet Tr-FRANCIS avec des conditions permettant de reproduire le régime de pleine charge. Ensuite, des profils de vitesse ont été extraits des simulations en sortie de la roue de la turbine et utilisés pour définir des objectifs d'optimisation de la géométrie des aubes du générateur de tourbillons. Une fois que des géométries optimisées ont été obtenues, les caractéristiques de l'écoulement généré issu des tests d'optimisation ont été comparées avec l'écoulement cible. Le comportement de l'optimiseur a également pu être étudié.

Les profils de vitesse en sortie des générateurs de tourbillons optimisés présentent des topologies globales semblables aux profils de vitesse cibles. Cependant, des écarts ont tout de même été observés dans les profils, particulièrement loin du moyeu, ce qui contribue à faire varier les caractéristiques du swirl dans l'écoulement et la dynamique des tourbillons générés par le fait même. Des formes particulières des aubes des générateurs de tourbillons optimisés ont également été obtenues. Ces observations sont vraisemblablement dues à un nombre de degrés de liberté insuffisant spécifié à l'optimiseur, ainsi qu'à une pondération plus élevée accordée aux objectifs près du moyeu. Une analyse des distributions de pression absolue a montré qu'en diminuant la pression de sortie jusqu'à observer une zone cavitante en sortie de la roue de la turbine, la pression en aval du générateur de tourbillons serait trop élevée pour qu'il y ait présence d'une zone cavitante également. Néanmoins, ce problème pourrait être pallié en diminuant la pression de sortie davantage avec le générateur de tourbillons. Des différences topologiques ont été observées dans les structures tourbillonnaires en sortie de la turbine Francis et du générateur de tourbillons. Le tourbillon généré en sortie du générateur de tourbillons présente une forme plus large en diamètre et moins allongée que dans le cas de la turbine. Considérant les écarts observés dans les profils de vitesse et dans les caractéristiques du swirl, des différences dans la dynamique des tourbillons générés sont attendues.

This master’s project aims to design a swirler that can reproduce the same vortices as the ones observed at the outlet of a Francis runner under full load conditions. The design process of the swirler is based on the application of a geometric optimization process using numerical flow simulations (CFD).

Multiphase RANS and URANS numerical simulations were first carried out on the test case of the TrFRANCIS project with conditions allowing to reproduce the full load regime. Then, velocity profiles were extracted from the simulations at the outlet of the turbine runner and used to define objectives for optimizing the geometry of the swirler blades. Once optimized geometries were obtained, the characteristics of the generated flow from the optimization tests were compared to the target flow. The behavior of the optimizer was also studied.

Velocity profiles at the exit of the optimized swirlers have overall topologies similar to the target velocity profiles. However, deviations were still observed in the profiles, especially far from the hub, which contributes to varying the characteristics of the swirl in the flow and dynamics of the vortices generated consequently. Particular shapes of the optimized swirler blades were also obtained. These observations are likely due to an insufficient number of degrees of freedom specified to the optimizer, as well as a higher weighting given to the objectives near the hub. An analysis of absolute pressure distributions showed that by reducing the outlet pressure until a cavitating zone is observed at the turbine runner exit, the pressure downstream of the swirler would be too high for there to be a cavitating zone also. However, this problem could be overcome by lowering the outlet pressure further with the swirler. Topological differences were observed in the vortex structures at the Francis turbine and swirler exit. The vortex generated downstream of the swirler has a larger diameter and has a less elongated shape than in the case of the turbine. Considering the differences observed in the velocity profiles and in the swirl characteristics, differences in the dynamics of the generated vortices are expected.