«Détermination des Pertes de Charge d un Diaphragme de Cheminée d équilibre par Simulations Numériques»

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1 EPFL Lausanne ANSYS Conference & 9 ème Forum CADFEM 1 septembre 01 «Détermination des Pertes de Charge d un Diaphragme de Cheminée d équilibre par Simulations Numériques» Christophe NICOLET 1 Sébastien ALLIGNÉ 1, Primoz RODIC HIDROINŠTITUT Jorge ARPE 3, Jurij MLAČNIK AF-Consult Switzerland AG 3 Power Vision Engineering Sàrl, Switzerland 1

2 Contenu Introduction Comportement transitoires aménagements hydroélectriques Rôle cheminée d équilibre Optimisation de cheminée d équilibre Cas test Mesures sur modèle physique Simulation numériques Setup numérique Maillage Résultats Comparaison numérique - expérimental Conclusions

3 Introduction L énergie hydroélectrique en Suisse 58 % de l énergie électrique produite par l énergie hydraulique (OFEN 005) Thermique et divers Thermique et divers % Centrales au fil de l eau 6.4 % Centrales au fil de l'eau 6.4 Verbois Nucléaire Nucléaire % Centrales à accumulation à % Grande Dixence 3

4 Introduction La centrale hydroélectrique Galerie Cheminée d équilibre Conduite forcée Vanne Turbine Génératrice Transformateur Ligne de transport Cheminée d équilibre 4

5 Introduction Rôle d une cheminée d équilibre: Protège les galeries des coups de Béliers: => réduit blindage Temps manœuvres courts: => améliore la rapidité et stabilité réglage des turbines Réduit la survitesse des groupes: => Réduit contraintes rotor Galerie ~16km Aménagement de Cleuson-Dixence 3x43MW=169MW Puits blindé ~4.3km 5

6 Introduction Optimisation d une cheminée d équilibre: Calculs transitoire 1D: Définition surface-hauteur: A=A(z) Définition pertes de charges diaphragme optimales Kd=Kd(Q) Essais sur modèle physique en laboratoire: Définition géométrie diaphragme Vérification écoulements surface libre, aération, essais transitoires, etc Processus itératif complexe et couteux Calculs CFD! 6

7 Introduction Optimisation d une cheminée d équilibre: Calculs transitoire 1D: Minimiser volumes SIMSEN software Exemple: Arrêt urgence pompe-turbine 340MW: 7

8 Introduction Optimisation pertes diaphragme: Calculs transitoire 1D: Niveau eau cheminée Influence pertes de charges diaphragme: Pression galerie Pertes insuffisantes Pertes optimales Pertes trop importantes 8

9 Cas Test Aménagement pompage-turbinage 185MW Géométrie cheminée: Galerie d amenée Cheminée Diaphragme Pertes charges optimales: H Kd g A Kd in =5 Kd out =.5 ref Q Débit turbinage 9

10 Mesures sur Modèle Physique Mesures en laboratoire: Mesures de débit Mesures pression statique Galerie amenée Cheminée équilibre Conduite forcée HIDROINŠTITUT Ljubljana, Slovénie 10

11 Mesures sur Modèle Physique Mesures en laboratoire: Positions capteurs pression: 1 3 Configurations écoulements: 11

12 Mesures sur Modèle Physique Coefficients pertes de charges numérique: Mesures préliminaires coefficient pertes régulières: Définition coefficient pertes charges singulières: K ij H H H i j ij _ friction Q garef L Q H f D ga ij _ friction Coefficients pertes de charges (après optimisation): Kd in =5 Kd out =.5 1

13 Calculs Numériques ANSYS CFX 14.0 Steady Reynolds Averaged Navier-Stokes equations Modèle de turbulence: Shear Stress Transport (SST) Maillage structuré 1.9 million nœuds Profile de vitesse en entrée (écoulement turbulent développé) Paroi sans glissement avec rugosité selon données expérimentales Condition sortie ouverte 13

14 Calculs Numériques Maillage: o Modèle de turbulence (SST): Minimum 10 noeuds dans la couche limite Distance paroi non dimenssionelle y + :

15 Calculs Numériques Coefficients pertes de charges numérique: Chute H dans une section i : H i 1 p C C. n ds Q i g g S i Pertes de charges entre section i et j: h ij H H ij ij _ friction Q_ ref ga Représentation en fonction du débit relatif au carré: q Q Q _ref Pente = Coefficient de pertes 15

16 Résultats: Calculs Numériques Déviation: Q1=>Q Q1=Q Déviation: Q=>Q1 Q=Q1 16

17 Résultats: Calculs Numériques Division: Q1=>Q+Q3 0.5*Q1=Q=Q3 Combinaison: Q+Q3=>Q1 Q=0.5*Q1 ; Q3=0.75*Q1 17

18 Résultats: Calculs Numériques Calculs instationnaires Case # 1: Q1 => Q Plan X-Y Plan Y-Z 18

19 Résultats: Calculs Numériques Calculs instationnaires Case # 1: Q1 => Q Lignes de courant 3D 19

20 Comparaison Expérimental-Numérique Bonne correspondance pour Case: 1 à 3 Erreur relative significative pour Case 4: Faible nombre de Reynolds Re = Erreur absolue faible de 0.9 cm (Case #1 : 11. cm) 0

21 Conclusions Optimisation Cheminée: Calculs 1D transitoires système y.c. machines Volumes Pertes diaphragme Essais modèle réduit: Définition géométrie diaphragme Ecoulements 3D, surface libre, etc. Calculs Numériques: Valide pour calculs pertes charge écoulement 3D complexe: Optimisation géométrie Structure écoulement 3D => aide optimisation / compréhension Prise en compte conditions limites complexes (Q=Q(t)) difficiles reproduire en Laboratoires 1

22 Remerciements License ANSYS-CFX et Support: Mesures sur modèle physiques: HIDROINŠTITUT Collaboration: AF-Consult Switzerland AG

23 Merci pour votre attention! 1, ch. Des Champs-Courbes CH-104 Ecublens Switzerland 3