This thesis focuses on Propeller turbine flows. Both experimental and numerical methods have been used during the research to study the flow taking place in this type of axial reaction turbine. The precision of the instrumentation and the uncertainty of the numerous acquisitions performed with velocity measurement tools such as Laser Doppler Velocimeter (LDV) and Particle Image Velocimeter (PIV) have been analyzed. Three main phenomena have been investigated experimentally with LDV and PIV throughout the study. The first one consists in the circumferential flow imbalance. The second one are rotor-stator interactions taking place in the gap between the guide vanes and the runner blades and finally, the third one embodies the draft tube inlet flow that includes blade wakes and the vortex rope. The characteristic frequencies found with the LDV measurements at this location are thoroughly investigated. In parallel with the experiments, numerical simulations were performed and compared with experimental data available. The comparison helped to improve simulations, assesses different boundary conditions and turbulence models. Uses of experimental database towards improvement of RANS, URANS and LES is discussed.

In conclusion to this research, circumferential flow imbalances has been clearly identified with experimental and numerical means. The imbalance was shown to be dampened from an initial 10% at the stay vane to 5% at the interface. There is a maximum 12% peak-to-peak imbalance in the diverging draft tube inlet. The turbulence intensity at the intake has been estimated to be 8%. The experimental results showed that the rotor-stator interactions are weak because of the rapid dissipation of the guide vane wakes in the meridian channel. The partial discharge vortex rope and the recirculations in the draft tube are presented along with their global effects on hydraulic efficiency and flow configuration. Different vortex structures have been identified such as the guide vane overhang vortex, the blade tip vortex, the vortex rope and counter-rotating intake vortices. A database was created for further investigation of the flow in a propeller turbine.

Cette thèse porte sur l'écoulement à l'intérieur d'une turbine de type Hélice. Deux méthodes de mesures ont été utilisées afin de remplir les objectifs de l'étude. La précision des instruments et l'incertitude des mesures effectuées à l'aide d'outils de vélocimétrie laser tels que la vélocimétrie Doppler laser (LDV) et la vélocimétrie par images de particules (PIV) ont été analysées. Trois phénomènes principaux sont étudiés à l'aide du LDV et du PIV. Le premier porte sur le débalancement circonférentiel de l'écoulement dans toute la machine. Le second porte sur les interactions rotor-stator se produisant entre les directrices et les aubes de la roue. Le troisième englobe les écoulements à l'entrée de l'aspirateur, le vortex à charge partielle (torche) et à forte charge ainsi que le sillage des directrices. Une attention particulière est portée sur les fréquences caractéristiques trouvées à l'aide des mesures LDV à cet endroit. Parallèlement aux mesures expérimentales, des simulations numériques ont été effectuées et comparées avec les données expérimentales disponibles. Cette comparaison permet d'améliorer les simulations numériques en posant différentes conditions limites et modèles de turbulence. Une meilleure utilisation et une amélioration des modèles RANS, URANS et LES avec l'utilisation de la base de données expérimentales est discutée dans l'étude.

En conclusion à la recherche, le débalancement circonférentiel de l'écoulement est identifié avec les méthodes expérimentales et numériques. Le débalancement est de l'ordre de 10% de la vitesse de référence crête à crête aux avants directrices et est amorti à 5% à l'interface. Le débalancement maximal est de 12% à l'intérieur du cône divergent de l'aspirateur. L'intensité turbulente dans les canaux d'admission a été estimée à 8%. Les résultats expérimentaux ont démontré que les interactions rotor-stator sont faibles à l'intérieur de ce type de machine car il y a une dissipation rapide du sillage des directrices avant la roue. La torche à charge partielle et les recirculations se produisant dans l'aspirateur sont présentées avec leurs effets sur l'efficacité hydraulique et la configuration de l'écoulement. Plusieurs structures et vortex sont identifiés tels que le vortex se produisant dans l'espace en porte-à-faux des directrices, le vortex de bout d'aubes, la torche et les vortex contrarotatifs des canaux d'admission. Une base de donnée a été crée pour des recherches futures portant sur l'écoulement d'une turbine Hélice.