Ce mémoire présente le développement, à l'aide de simulations numériques d'écoulement, d'une méthode de contrôle des tourbillons en colonne dans une turbine hydraulique axiale de vitesse spécifique élevée opérée en marche à vide.

Les observations sur le développement des tourbillons en colonne ont été généralisées à la géométrie d'une turbine Francis de vitesse spécifique moyenne. La roue, qui en raison de son emplacement et de sa géométrie vient interagir avec les tourbillons en colonne, a été retirée de la simulation instationnaire. La zone de recirculation obtenue sans la roue est pratiquement inchangée et des tourbillons en colonne ont été observés. Cela suggère que les tourbillons en colonne dans les turbines axiales et les tourbillons inter-aubes dans les turbines Francis sont liés à la même instabilité hydrodynamique. Selon la géométrie et les paramètres d'opération, différents modes de l'instabilité seraient excités. L'existence des tourbillons en colonne ne semble donc pas sensible à la forme du canal méridien, mais plutôt à la quantité de swirl injectée.

Pour contrôler les tourbillons en colonne, le swirl injecté dans la roue est réduit en augmentant l'angle d'ouverture des directrices. Deux mécanismes générant des pertes de charge supplémentaires dans l'écoulement ont été développés pour recréer les conditions d'opération en marche à vide à grande ouverture des directrices.

Les mécanismes, similaires à des volets sur des ailes d'avion, sont installés sur les directrices. Des simulations numériques instationnaires SAS-SST ont montré que les deux mécanismes ont permis d'éliminer les tourbillons en colonne dans l'entrefer et dans la roue. Au lieu de cela, six tourbillons inter-aubes co-rotatifs ont été obtenus dans la roue. Aucune structure dommageable n'a été identifiée dans l'aspirateur. Les fluctuations de pression dans la roue et les fluctuations de couple sur les aubes ont été significativement réduites, prouvant ainsi la validité du concept de volets sur les directrices.

This thesis presents the development, using numerical flow simulations, of a mitigation method against columnar vortices in a high-specific-speed axial hydraulic turbine operated at speedno-load.

Observations regarding the development of columnar vortices were generalized to the geometry of a Francis turbine with a medium specific speed. The runner, due to its location and geometry, interacts with the columnar vortices. It was removed from the unsteady simulation. The backflow obtained without the runner is practically unaffected, and columnar vortices were observed in the meridional channel. This suggests that columnar vortices in axial turbines and inter-blade vortices in Francis turbines are linked to the same hydrodynamic instability. Depending on the geometry and operating parameters, different modes of instability would be excited. Therefore, the existence of columnar vortices does not seem to be sensitive to the shape of the meridional channel, but rather to the amount of swirl injected.

To mitigate the columnar vortices, the swirl injected into the runner is reduced by increasing the guide vanes opening angle. Two mechanisms that generate additional pressure losses in the flow were developed to recreate the operating conditions at speed-no-load with a larger guide vane opening angle.

The mechanisms, similar to spoilers on airplane wings, are installed on the guide vanes. Unsteady SAS-SST numerical simulations showed that the two mechanisms eliminated columnar vortices in the vaneless space and the runner. Instead, six co-rotating inter-blade vortices are obtained in the runner. No damaging structures were identified in the draft tube. The pressure fluctuations in the runner and the blade torque fluctuations were significantly reduced, thus proving the validity of the concept of spoilers on the guide vanes.