Critères Ichthyophiles : préétude 8 pales Sommaire 1 Introduction : les critères utilisés... 2 2 Géométrie utilisée pour la pré-étude, maillage, conditions du calcul et résultats globaux.... 3 3 Vérification des critères ichthyophiles... 5 3.1 Champ de pression... 5 3.2 Gradient de pression... 7 3.3 Vitesse relative... 7 3.4 Gradient de vitesse... 8 3.5 Ecoulement dans le jeu... 10 4 Conclusion... 11 ANNEXE... 11 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 1
1 Introduction : les critères utilisés En 1995 le U.S. Army Corps of Engineers a organisé un workshop pour identifier les causes de la mortalité et des dommages subis par les poissons lors de leur passage dans une turbine hydraulique. Suite à cette analyse, des essais en laboratoire ont permis d analyser en détail ces phénomènes et des critères ichthyophiles ont ainsi pu être proposés. Le document rédigé par U.S. Department of Energy, fourni en annexe, en fait la synthèse. Les phénomènes identifiés sont les suivants : Dommages liés à des causes mécaniques : abrasion, broyage, risque de chocs Ces effets dépendent de la vitesse relative par rapport aux aubes, de l espacement entre les aubages et composants, des vitesses dans les jeux entre pièces mobiles et fixes. Des seuils de mortalité ont ainsi été observés : 0% pour des vitesses inférieures à 65 ft/s soit 19.8m/s et 100% au dessus de 145 ft/s soit 44.2 m/s Mortalité minimale pour des vitesses périphériques inférieures à 40 ft/s soit 12.2 m/s (l EPRI préconise 20ft/s soit 6.1 m/s) Un jeu maximum de 2 mm entre pale et manteau est aussi préconisé Dommages liés à la pression et au gradient de pression. Ces effets sont liés à la vitesse d adaptation de la pression dans la vessie natatoire. La valeur absolue de la pression dépend de la pression à l amont de la turbine pour laquelle le poisson était acclimaté. Les seuils suivants ont été définis : 69 kpa de pression minimum 550 kpa/s pour le gradient pression Cavitation Le seuil critique pour σ est de ½ à 1/3 σ cr. Turbulence Elle est caractérisée par les gradients de vitesse. Un seuil de l ordre de 180 m/s/m est préconisé. Pour évaluer la cohérence de la turbine VLH avec les critères ichthyophiles, la présente préétude a été réalisée avec une géométrie préliminaire de roue de la turbine VLH sans prendre en compte le distributeur. Cette roue dénommée VLH_test, est présentée ci-dessous. Les critères ichthyophiles, éventuellement complétés, seront contrôlés pour l ensemble de la machine, avec la géométrie finale. 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 2
2 Géométrie utilisée pour la pré-étude, maillage, conditions du calcul et résultats globaux. Les dimensions de la géométrie préliminaire de la roue de la turbine VLH sont les suivantes : - diamètre extérieur : 4.5m - diamètre moyeu : 2.6m (ratio : 0.6) - dimension du jeu en bout de pales : 1.5 mm constant du bda au bdf Figure 1 Géométrie de la roue VLH_test. Un maillage en C a été réalisé pour un canal de roue. Il contient ~580'000 points. Le jeu en extrémité de pales a été modélisé avec 17 couches de mailles. Figure 2 Maillage d'un canal de roue. 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 3
Figure 3 Détails du maillage du jeu au bord d'attaque et fuite de l'aube. Les conditions du calcul pour ce test sont les suivantes : Q = 22 m3/s n = 36.9 tr/mn H amont = 2.5 m nq = 87 tr/mn Un calcul avec la géométrie du distributeur a permis de définir les conditions aux limites suivantes imposées à l écoulement : - vitesse axiale presque uniforme, Cm = Q/Sentrée ~ 2 m/s, fig 4a - vitesse radiale nulle - vitesse tangentielle variant avec le rayon fig 4b L angle de calage de l aube a été adapté à ces conditions d entrées : β shroud = 16. Figure 4 Convergence du calcul. La convergence du calcul a été observée au bout de ~500 itérations. Résultats globaux : - rendement de la roue : ~80 %. - UCu (amont-aval) : 20 J/kg - Couple (axial) : 6.4 Nm - Force axiale : 85 kn Ces résultats ne correspondent pas encore à la configuration «optimisée» (étude en cours). 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 4
3 Vérification des critères ichthyophiles Pour chaque critère, l écoulement est analysé dans les différentes couches aube à aube entre moyeu et carter (0%)-5% 25%-50%-75%-95%-(100%) et la localisation de la valeur la plus défavorable est réalisée. 3.1 Champ de pression Figure 5 Pression Statique sur la roue (vue générale). Figure 6 Pression dans couche 0% et 5% 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 5
Figure 7 Pression dans couche 25% et 50% Figure 8 Pression dans couche 75% et 95% Figure 9 Pression dans couche 100% et localisation mini La pression minimale est observée au moyeu, en pied d aube côté dépression. L écart par rapport à la pression moyenne dans la section de sortie de machine est : P * min P * s sortie = -8'200 Pa avec P* = P + ρgz En supposant que la perte d énergie massique en sortie de turbine correspond à l énergie cinétique massique et que l altitude du point de pression minimale est approximativement la surface libre aval, la pression minimale est alors de : Pmin = Patm 8. 2kPa 91. 8kPa. Ce critère est donc largement vérifié. 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 6
3.2 Gradient de pression Figure 10 Gradient de pression surfacique et iso-suface Ps>100'000 Pa/m. On observe des gradients de pression importants dans le jeu, ce qui était attendu. Les zones où le gradient de pression est supérieur à 100'000 Pa/m sont localisées aux bords d attaque et de fuite dans l angle entre l aube et le moyeu. Si la vitesse de déplacement du poisson est de l ordre de 2 m/s (ordre de grandeur de la vitesse axiale absolue de l écoulement), le gradient de pression vu par le poisson serait de 200 kpa/s <550 kpa/s. 3.3 Vitesse relative côté en pression (PS) Figure 11 Vitesse relative "externe" surfacique et zone > 11 m/s côté en dépression (SS) Figure 12 Vitesse relative "externe" surfacique et zone > 11 m/s 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 7
Le maximum de vitesse relative est localisé dans la zone proche du bord d attaque W>10 m/s et proche du carter où elle atteint la vitesse d entraînement (U=8.69 m/s) augmentée de la sur vitesse de contournement d aube. 3.4 Gradient de vitesse Les gradients de vitesse relative sont les suivants : Figure 13 Gradient "surfacique" de la vitesse relative W. Figure 14 Gradient "surfacique" de la vitesse relative W et iso-surface grad(w) = 4000 [m/s/m]. Les valeurs maximales sont localisées dans le sillage et proche de la surface moyeu près du bord d attaque de l aube côté ceinture et côté basse pression. Cette valeur maximale est de l ordre de 4000 m/s/m. Cette valeur élevée est obtenue dans la couche limite où W s annule à la paroi. Dès que l on s écarte de la couche limite, le gradient de vitesse chute fortement et on obtient des valeurs de loin en dessous du critère préconisé de 180 m/s/m. Comme on peut le constater sur les figures ci-dessous, dès qu on s écarte des aubages et du sillage, le gradient est en dessous de 10m/s/m. On peut donc considérer que ce critère est largement vérifié. 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 8
Figure 15 Face en pression et face en dépression., Figure 16 Iso-surface 10m/s/m. Figure 17 Valeurs atteintes dans le sillage, dans la couche aube-à aube 5% 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 9
3.5 Ecoulement dans le jeu Figure 18 Pression statique au milieu du jeu. Figure 18 Vitesse relative sur une couche de maillage au milieu du jeu (bda et milieu de l aube). On constate que compte tenu du faible chargement de l aube en bout de pale au débit nominal pour cette turbine, les vitesses relatives dans le jeu ne sont importantes que dans la zone du bord d attaque et au bord de fuite. Sur toute la longueur intérieure du jeu les vecteurs W sont pratiquement alignés avec les aubages, ce qui limite les risques de "broyage" des poissons. 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 10
Figure 19 Vitesse relative sur une couche de maillage au milieu (bdf). 4 Conclusion Pour cette roue préliminaire les critères ichthyophiles sont pratiquement tous vérifiés avec une marge confortable, sauf dans des zones très localisées, comme les couches limites pour les gradients de vitesse ou la zone de jeu en bout de pales. Le jeu en bout de pale est une zone où ces critères sont très difficiles à satisfaire pour les géométries classiques KAPLAN. Pour le tracé de la turbine VLH le chargement en bout de pale sera réduit, comme pour la présente turbine, pour minimiser l "aspiration" par le jeu de manière à pouvoir fonctionner avec des jeux plus importants que ceux préconisés. ANNEXE - Document DOE/ID/13741(U.S. Department of Energy) A Summary of Environmentally Friendly Turbine Design Concepts 15 juillet 2005 Préétude: Critères ichthyophiles J.L. KUENY 11