Injection d'air sur profil d'aube : une étude expérimentale pour caractériser les hydroturbines aérantes

Cette thèse traite de l’injection d’air sur la face d’un profil NACA0015 soumis à un écoulement d’eau transverse à haute vitesse. Cette injection génère un nuage de bulles en aval du profil, qui est emporté dans la conduite et dont on étudie les propriétés. Cette étude est menée dans le contexte global de l’industrie Hydroélectrique et présente des applications directes pour les hydroturbines. Si l’hydroélectricité est une source d’énergie renouvelable respectueuse de l’environnement, il est parfois nécessaire de ré-oxygéner les flux d’eau turbinés pour une meilleure préservation de la faune et de la flore aquatique dans leurs habitats situés en aval des édifices hydroélectriques. Des phénomènes naturels peuvent en effet entraîner une diminution importante de l’oxygène dissous (OD) dans l’eau. Cette eau qui est ensuite turbinée, rend la survie des espèces aquatiques difficile voire impossible. La solution proposée par l’industrie est d’injecter de l’air directement au niveau de la turbine. Ces turbines sont alors dénommées turbines aérantes. Cette présente étude s’intéresse donc à mieux comprendre les mécanismes diphasiques en jeu lors de l’injection de forts volumes d’air à partir d’un élément de turbine pour des problématiques d’oxygénation. Bien que nous ne soyons pas en mesure de mesurer directement le taux d’oxygène dissous, cette thèse met en lumière les relations entre les grandeurs d’intérêt et les paramètres contrôlés de l’écoulement. Pour ce faire, un profil de type NACA0015 de corde c = 20 cm et d’envergure 15 cm est modifié pour permettre une injection d’air sur 80% de son envergure à travers une fente d’injection. Le profil NACA devient un profil aérant. Une chambre à air interne dans le profil aérant permet une distribution homogène de l’air tout le long de cette fente. Ces travaux ont pour objectif de prédire le comportement de l’air injecté dans les conditions mentionnées ci-dessus. Les principales grandeurs d’intérêt sont le diamètre de Sauter D32, le taux de vide ε, l’angle de montée du nuage d’air θ mais également la pression d’injection nécessaire, l’évolution de la pression en aval de l’injection et autour du profil. Au travers de ces grandeurs, l’étude des surfaces d’interface spécifiques SI est également entreprise. Les caractéristiques des bulles d’air générées par l’injection sont mesurées grâce à une sonde intrusive utilisant des fibres optiques. Cette sonde permet d’extraire les tailles et les vitesses des bulles ainsi que le taux de vide ε. Des capteurs de pressions localisés autour, en amont, en aval ainsi qu’à l’intérieur de la chambre à air du profil aérant sont utilisés pour mesurer les pressions statiques et leurs évolutions. Après une phase de tests préliminaires et de calibrations à basse vitesse dans une boucle à pression non contrôlée, l’étude à haute vitesse et à pression contrôlée est effectuée au Laboratoire d’Écoulement de Grande Hauteur à Polytechnique. Les résultats sont obtenus pour les conditions suivantes : Vitesse d’écoulement d’eau de 6 à 10 m.s−1, des titres volumiques β de 1 à 12 %, des Angle d’Attaque du profil de -10° à +10° , des pressions de travail (en amont du profil aérant) fixées à 60 et 101.3 kPa. Les mesures sont effectuées sur un ensemble de la conduite d’étude allant de 200 mm avant l’injection (1 corde) jusqu’à 1294 mm en aval du profil, soit environ de 6.5 cordes. Concernant les caractéristiques intrinsèques du nuage de bulles, l’analyse démontre, à partir de nos données expérimentales, que nous sommes capables de prédire les diamètres de Sauter moyens D32 des bulles ainsi que les tailles moyennes (respectivement médianes) Dm (respectivement DMed) des bulles à partir uniquement des paramètres adimensionnels connus et contrôlés. Sur le même modèle nous sommes capable de prédire le taux de vide moyen ε en aval du profil aérant. Grâce à la combinaison de ces deux résultats, nous entreprenons ensuite un modèle prédictif de surfaces d’interface spécifiques. Enfin l’angle de montée du nuage d’air et l’influence de l’angle d’attaque du profil, de la vitesse et du β sur ce dernier est développé. Concernant les pressions, le comportement théorique d’une injection d’air en air stagnant est confirmé ainsi que son comportement dans un écoulement diphasique air/eau pour des rapports d’énergie cinétique R supérieurs à 4. Pour les valeurs R plus petites, le modèle de la fente d’injection déformable est proposé et présente une bonne corrélation vis-à-vis aux données expérimentales. L’effet de l’angle d’attaque et de la vitesse de l’eau sont également analysés dans un second temps. Un modèle utilisant le taux de vide moyen (qui est maintenant calculé grâce aux paramètres contrôlés), ainsi que d'autres paramètres diphasiques est développé pour rendre compte de l’évolution de la pression dans la conduite en aval de l’injection. Enfin, une analyse des pressions autour du profil met en évidence que l’injection d’air diminue la différence de pression entre les deux faces du profil pour des angles d’attaques non nuls. Pour un angle nul, cette différence de pression a à l’inverse tendance à augmenter. L’ensemble des relations développées dans ce mémoire sont applicables dans le cadre d’un écoulement diphasique appliqué à l’étude des turbines aérantes. Elles offrent une meilleure compréhension des phénomènes diphasiques et constituent des outils pouvant être implémentés par l’industrie afin de mieux caractériser l’efficacité d’une turbine aérante et le comportement du nuage d’air en aval de l’injection.

Abstract

This thesis analyses the injection of air from the surface of a NACA0015 hydrofoil subjected to a high-speed water cross-flow. This injection generates a cloud of bubbles downstream of the hydrofoil, which is carried away by the water flow. This study occurs in the global field of hydroelectricity production and presents direct applications for hydroturbines. Hydroelectricity is an environmentally friendly renewable energy source. Yet, it is sometimes necessary to re-oxygenate turbinated water flows for better preservation of aquatic fauna and flora. Natural phenomena can indeed lead to a significant decrease in water-dissolved oxygen (DO). If dealing with already low DO levels, the turbined water released downstream of the power plant can creates a nonsuitable environment for aquatic species. The solution from the industry is to inject air directly from the turbine itself. Such turbines are called aerating turbines. This present study’s main goal is a better understanding of two-phase flow mechanisms occuring when injecting large volumes of air from a turbine element for oxygenation purposes. Although we are not able to directly measure the dissolved oxygen level, this thesis highlights the relationships between the quantities of interest and the controlled parameters of the flow. To do this, a NACA0015 hydrofoil with a cord c of 20 cm and a span of 15 cm is modified in order to inject air over 80% of its span through an injection slot. The NACA hydrofoil then becomes an aerating hydrofoil. An internal air chamber inside the airfoil allows a homogeneous distribution of the air along the slot. The main quantities of interest are the mean Sauter diameter D32, void fraction ε, rising angle of the air cloud θ but also the injection pressure as well as the evolution of the pressure downstream of the injection and around the hydrofoil. Through these quantities, we also undertake the study of the specific interface surfaces SI. The characteristics of the air bubbles generated by the injection are measured using an intrusive probe using optical fibers. This probe enables us to extract bubble sizes and velocities as well as the void fraction ε. Pressure sensors located around, upstream, downstream as well as inside the air chamber of the airfoil are used to measure static pressures and their evolution regarding the test conditions. First we carry out a preliminary testing and calibrating phase at low water speed in an atmospheric water loop. Then high-speed and controlled pressure studies are performed. For these studies the following conditions are set: Water flow velocity ranging from 6 to 10 m.s−1, volumetric title β ranging from 1 to 12 %, Angle of Attack of the hydrofoil ranging from -10 ° to +10 °, and pressures (set upstream of the aerating hydrofoil) fixed at 60 and 101.3 kPa. The intrusive measurements are ranging from the injection up to 1294 mm downstream of the latter. Regarding the intrinsic characteristics of the bubble cloud, the analysis demonstrates that we are able to predict the mean bubble Sauter diameters D32 of the bubbles as well as the mean and median sizes Dm and DMed of the bubbles with precision within the mm. These predictions only have known and controlled dimensionless parameters for sole input. Following the same agenda we are able to predict the mean void fraction ε downstream of the airfoil. With a combination of these two previous results, a predictive model of the specific interface surfaces is also computed. Finally, the rising angle of the air cloud and the influence of the angle of attack of the hydrofoil, speed, and β on the latter is also studied. Concerning the pressure aspect, the theoretical behavior of an injection in stagnant air is confirmed as well as its behavior in a two-phase flow for air/water kinetic energy ratios R greater than 4. For smaller R values, the model of a deformable injection slot is proposed and presents a good correlation regarding the experimental data. The effect of the angle of attack and water velocity is also described. A model using the mean void fraction (which is now calculated thanks to controlled parameters), as well as other two-phase parameters is developed. It highlights the evolution of pressure downstream of the injection. Finally, an analysis of pressures around the hydrofoil shows that air injection tends to decrease the pressure difference between the two sides of the hydrofoil for non-zero angles of attack. Yet it increases this difference for zero angles. All the relationships developed in this thesis are applicable in the context of a two-phase flow for aerating turbine studies. They offer a better understanding of two-phase phenomena and constitute useful tools that can be industry-implemented in order to better characterize the efficiency of an aerating turbine.