The Pipe Conveying Fluid as a Model Experiment to Develop a Digital Twin

En 2015, les accords de Paris ont été adoptés par 196 pays s'engageant à limiter la hausse des températures. Les énergies renouvelables non pilotables prennent une place de plus en plus grande dans le mix électrique. L'énergie hydroélectrique prend alors un rôle central pour lisser et adapter la production à la demande. Il est donc d'autant plus important de surveiller les groupes turbines-alternateurs, notamment car les cycles de démarrage répétés et les utilisations en sous régime augmentent le risque de ruptures et de dommages notamment par fatigue. Dans ce projet, on se propose de travailler sur le développement d'un jumeau numérique qui, à terme, permettrait d'améliorer la surveillance, la prédiction des maintenances et d'optimiser l'opération des turbines hydrauliques. On souhaite commencer notre travail sur les jumeaux numériques en travaillant sur une expérience de tuyau de pompier. En effet, le tuyau de pompier est une expérience d'interaction fluide-structure qui présente plusieurs similarités avec les phénomènes observés dans une turbine hydraulique. L'amortissement du tuyau est influencé par la masse ajoutée de l'eau dans le tuyau, sa vibration est également excitée par l'écoulement de l'eau et le tuyau subit des phénomènes de flottement comme la turbine. De plus, il s'agit d'un système simple et peu coûteux à reproduire et à observer en laboratoire. C'est toutefois un système riche qui démontre une physique riche et variée avec des fortes non-linéarités mais aussi des phénomènes très différents lorsqu'on modifie légèrement l'expérience. Enfin, c'est un système qui a été étudié en profondeur dans les dernières décennies et on dispose donc de nombreux modèles théoriques utilisables pour construire le jumeau numérique. Durant ce projet, nous avons conçu, fabriqué et assemblé un montage expérimental de tuyau encastré-libre. Le débit parcourant le tuyau peut être réglé avec le contrôleur d'une pompe centrifuge et est mesuré par un débitmètre volumique. Le tuyau est filmé par deux caméras hautes vitesses placées dans des plans orthogonaux. Le tuyau est isolé de l'image en utilisant le contraste sur les images et sa position est ensuite approximée à l'aide d'un polynôme qui permet de stocker les informations. Le montage expérimental permet d'utiliser divers tuyaux de longueurs et diamètres intérieurs différents. Les tuyaux en caoutchouc siliconé sont moulés dans un moule usiné en aluminium et leurs caractéristiques sont déterminées en observant la vibration du mode fondamental du tuyau. Nous avons mené une première campagne d'essais sur sept tuyaux différents avec trois diamètres différents. Nous avons étudié l'amortissement du tuyau avant la vitesse critique et avons pu la comparer au modèle linéaire du tuyau. Nous avons également déterminé et mesuré vi les vitesses critiques auxquelles le tuyau devient instable. Au-dessus de la vitesse critique nous avons observé la relation entre l'amplitude de vibration ainsi que la fréquence de vibration avec le débit d'eau. Enfin nous avons également observé les différents phénomènes et modes vibratoires comme le mode chaotique à haut débit qui remplace les vibration planaires. Dans une seconde partie du projet, nous avons expérimenté avec une nouvelle méthode pour construire le jumeau numérique du tuyau : des réseaux de neurones artificiels combinés au modèle physique. Cette technique utilise des réseaux de neurones pour approximer le mouvement du tuyau. Pour entraîner le jumeau numérique on utilise une fonction objectif à minimiser qui est constituée des données mesurées sur le montage expérimental (ou générées numériquement) mais aussi de l'équation linéaire du tuyau pénalisée à un certain nombre de points. Cette méthode permet d'utiliser les données de capteurs tout en régularisant la solution entre les données, en réduisant la quantité de données nécessaires et en permettant l'extrapolation. Dans ce mémoire on se limite à l'équation linéaire du tuyau et donc au comportement avant le débit critique. On utilise la formulation classique mais aussi une formulation avec décomposition modale pour une meilleure efficacité. On teste également l'implémention de la formulation faible des résidus de l'équation linéaire couplée avec une décomposition en modes propres de poutre."