Simulation numérique des instabilités rotor stator dans une turbine hydraulique avec Foam-Extend

Le projet de recherche présenté ici, est réalisé en partenariat entre la société Andritz Hydro et le groupe de recherche, dirigé par François Guibault. Cette coopération a pour but de développer des outils informatiques de conception, simulation et validation de produits relatifs aux turbines hydrauliques. Pour les turbines destinées à des hautes chutes, le mouvement des pales de la roue passant devant les aubes du distributeur, crée des vibrations. Ce phénomène instationnaire, appelé interaction rotor-stator (RSI) peut être à l'origine de rupture en fatigue des composants de la roue de turbine. Étudiées depuis près de vingt ans, les interactions rotor-stator doivent être prises en compte lors de la phase de design préliminaire et constituent un véritable critère de décision pour la conception des turbines. Dans ce mémoire nous nous focaliserons sur l'étude des différents paramètres numériques du logiciel Foam-extend, dans le but de réaliser avec celui-ci une simulation robuste et précise du phénomène des interactions rotor-stator. Foam-extend (anciennement OpenFoam), est un logiciel libre de simulation numérique basé sur la méthode des volumes finis. Cette étude présentera les différents solveurs disponibles sous Foam-extend, ainsi que leurs algorithmes de résolution. Ces solveurs seront utilisés avec un maillage tournant et seront couplés à un modèle de turbulence k-". La géométrie étudiée est un modèle d'une turbine Francis, qui comprends une roue (constituée de 15 pales) et un distributeur (constitué de 20 aubes directrices et de 20 avant-directrices). La méthode de connexion General Grid Interface (GGI) sera utilisée pour connecter les différentes parties du maillage. Enfin, dans le but d'accélérer le calcul, une partie de l'étude se focalisera sur la simulation d'un cinquième de la géométrie. Tous les résultats obtenus seront comparés à des résultats numériques provenant de logiciels commerciaux ainsi qu'à des données expérimentales.

Abstract

This master research is realised in partnership with the company Andritz Hydro and the research group, directed by François Guibault. This purpose of this collaboration is to develop software tools to design and simulate some phenomenon in hydraulic turbines. In the development of high head hydraulic turbines, dynamic stresses induced by vibrations have to be taken into account. This paper focuses on the study of the rotor-stator interactions (RSI). In hydraulic turbines, the movement of the blades passing in front of the guide vanes creates vibrations. This unsteady phenomenon can be responsible for fatigue failures on turbine runners. Studied for about twenty years, RSI must now be taken into account during preliminary hydraulic design phase through CFD analysis, as it constitutes a decisive criterion for designing turbines. This work investigates various aspects of the numerical setup required to perform accurate and robust URANS simulations of an RSI case using the open source CFD software Foamextend 3.2. Foam-extend (formerly named OpenFoam) is a software which includes solvers based on the finite volumes method. The solver chosen for this study is a transient solver for incompressible flow on a moving mesh coupled with a k-" turbulence model. The geometry studied is a model of a Francis turbine, which consist of a runner (15 blades) and a distributor (20 guide vanes and 20 stay vanes). To enable the connection between all mesh patches the General grid Interface (GGI) method is used. To speed up calculations, some simulations are realised on a part (a fifth) of the model. All numerical results obtained are compared to data from commercial softwares and experimental results.