Bien que l'hydroélectricité ne soit pas une technologie récente, elle constitue une source d'énergie verte dont l'utilisation est appelée à croître dans les décennies à venir. La flexibilité de production des turbines hydrauliques permet d'équilibrer la puissance fournie au réseau avec la demande en électricité. Leurs paramètres d'opération sont adaptés continuellement afin d'assurer cet équilibre. Lorsqu'une production plus importante est requise, le passage d'un débit d'eau supérieur dans les turbines permet typiquement d'augmenter la puissance qu'elles fournissent. Passé un certain point, le rendement des turbines diminue, et l'augmentation du débit ne se traduit plus par une augmentation de puissance aussi importante. Il s'agit d'un comportement normal qui est une conséquence de la dynamique de l'écoulement dans leurs composantes. Toutefois, certaines turbines présentent plutôt une chute de rendement hydraulique importante et soudaine près de leur point de meilleur rendement. Celle-ci corrèle avec l'apparition de décollements de la couche limite dans leur aspirateur, une composante située à l'aval de la roue. Ces baisses d'efficacité réduisent leur flexibilité d'opération et peuvent aussi, dans certains cas, résulter en une baisse de la puissance fournie au réseau. Cette thèse vise à étudier les mécanismes menant à l'apparition des décollements, dont la compréhension ouvrirait la voie à l'implantation de correctifs et à l'amélioration des outils et pratiques de conception.

L'étude est basée sur l'analyse expérimentale des champs de vitesse et de pression dans l'aspirateur d'une turbine bulbe modèle. Suivant l'hypothèse d'une interaction entre les séparations de la couche limite et une instabilité de l'écoulement dans le sillage de la roue, des mesures vélocimétriques par imagerie de particules résolues dans le temps (TR-PIV) ont été effectuées au centre de l'aspirateur afin d'explorer la dynamique de l'écoulement dans cette région et ses relations avec la chute de rendement. Ces mesures ont permis d'identifier une structure cohérente qui évolue dans le sillage ainsi que des séparations survenant à l'amont de l'aspirateur n'ayant pas été détectées lors des campagnes de mesure antérieures. Il est démontré que ces séparations ne sont pas présentes continuellement, et qu'elles surviennent et disparaissent sur des échelles de temps allant jusqu'à plusieurs centaines de tours de roue. Pour une condition d'opération unique, l'aspirateur peut donc tout aussi bien fonctionner efficacement que subir de larges décollements qui limitent sa performance. Ce constat supporte la multiplicité de solutions ayant été obtenues numériquement près du sommet de rendement.

Des analyses par décomposition modale des champs de vitesse instantanés expliquent la présence de la structure cohérente par une instabilité de l'écoulement qui est amplifiée par la rotation de la roue. Le taux d'amplification de cette instabilité diminue significativement près du point où la chute de rendement survient, et il en résulte une transition dans la topologie de la structure. Ces observations expérimentales sont les premières à supporter la possibilité d'un changement dans l'état de stabilité de l'écoulement en lien avec la chute de rendement, tel que suggéré précédemment par des analyses de stabilité théoriques. Les analyses modales transitoires montrent par ailleurs des changements importants dans la dynamique du sillage lorsque certaines séparations se produisent. Sans l'exclure, ces résultats ne permettent toutefois pas de conclure à un lien de cause à effet direct entre la stabilité de la structure et les décollements de la couche limite. Les analyses du point de vue transitoire démontrent finalement que les décollements déjà observés à l'aval et au centre de l'aspirateur, ainsi que les larges séparations nouvellement identifiées à l'amont, sont de natures distinctes. Alors que les séparations à l'aval sont présentes dès le sommet de rendement, celles survenant près de la roue à l'amont gagnent davantage en importance avec l'augmentation du débit et deviennent rapidement le facteur contributif le plus important à la chute de rendement.

Although hydroelectricity is not a recent technology, it constitutes a source of green energy whose use is set to grow in the decades to come. The production flexibility offered by hydraulic turbines makes it possible to balance the power supplied to the grid with the electrical demand. Their operating parameters are continuously adapted to ensure this balance. When higher production is required, increasing the water flow rate through the turbines typically makes it possible to increase the power they provide. After a certain point, the turbines’ efficiency decreases, and further increasing the flow rate no longer translates into a significant gain in power. This behavior is expected and is a consequence of the flow dynamics in their components. However, some turbines exhibit an important and sudden hydraulic efficiency drop near their best efficiency point which correlates with the onset of boundary layer separation in their draft tube, a component located downstream of the runner. These efficiency drops reduce the flexibility of operation and can also, in some cases, result in a drop in the power supplied to the electrical grid. This thesis aims to study the mechanisms leading to the appearance of these flow separations, the understanding of which would pave the way for the implementation of mitigation mechanisms and the improvement of design tools and practices.

The study is based on the experimental analysis of velocity and pressure fields in the draft tube of a model bulb turbine. Following the hypothesis of an interaction between the flow separations and an instability in the wake of the runner, time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements were carried out at the center of the draft tube to explore the flow dynamics in this region and their relationship with the efficiency drop. These measurements made it possible to identify a coherent structure located in the wake as well as separations occurring in the upstream part of the draft tube which had not been detected during previous measurement campaigns. It is shown that these separations are not continuously present and that they appear and disappear over time scales of up to several hundred runner revolutions. For a given operating condition, the draft tube may therefore operate efficiently as well as undergo large flow separations, limiting its performance. This observation supports the multiple solutions that have been obtained numerically around the best efficiency point.

Using modal decompositions of the instantaneous velocity fields, the presence of the coherent structure is explained by an instability of the flow which is amplified by the rotation of the runner. The amplification rate of this instability decreases significantly near the point where the efficiency drop occurs, resulting in a transition in the topology of the structure. These experimental observations are the first to support the possibility of a change in the stability of the flow related to the efficiency drop, as suggested previously by theoretical stability analyses. Transient modal analyses also show a significant change in the wake dynamics when certain separations occur. Without excluding it, these results do not, however, allow concluding that there is a direct causal relationship between the stability of the structure and the flow separations. Finally, the analyses from the transient point of view demonstrate that the separations that were previously observed in the downstream part and near the center of the draft tube, as well as the large separations newly identified upstream, are of distinct natures. While downstream separations are already present at peak efficiency, those occurring upstream, near the runner, gain more importance as the flow rate is increased and rapidly become the most significant contributing factor to the efficiency drop.