Caractérisation de l'écoulement d'air dans une maquette d'alternateur hydroélectrique par méthodes numérique et expérimentale

Le potentiel d'augmentation de la puissance des alternateurs hydroélectriques existants est un sujet de recherche actuel à l'Institut de Recherche d'Hydro-Quebec (IREQ). Un aspect important de cette étude est l'analyse du refroidissement de l'alternateur par ventilation, qui se base en partie sur les simulations numériques d'écoulements fluides (CFD). En raison de la complexité des calculs numériques, un processus de validation est nécessaire et pour cette raison une maquette d'alternateur à l'échelle de 1 : 4 a été construite à l'IREQ. L'objectif global du présent projet de maîtrise est d'effectuer des simulations CFD de l'écoulement de ventilation dans la maquette d'alternateur afin de déterminer les caractéristiques principales de l'écoulement et de les comparer à des mesures expérimentales. Une étude numérique préliminaire en 2D et en 3D indique qu'une interface rotor-stator de type "mixing plane" est plus appropriée pour les conditions de l'écoulement dans l'entrefer de l'alternateur. En conséquence, ce type d'interface est utilisée tout au long de cette étude. Les principales caractéristiques de l'écoulement et la répartition des débits d'air dans la maquette sont décrites à partir des résultats de simulations 3D. Par ailleurs, la présence et l'orientation du jet principal sortant de l'ouverture du radiateur et du débit de retour vers le rotor sont confirmées qualitativement via des techniques de visualisation de l'écoulement. Les simulations CFD avant et après une modification de l'orientation des pales des ventilateurs radiaux et de la forme des capots indiquent que ce changement a entraîné une augmentation substantielle des pertes de ventilation, ce qui est en bon accord avec les mesures de pertes sur la maquette. Ceci est causee par l'accroissement du débit généré par les ventilateurs suite à leur modification. Cependant, le débit utile qui atteint les ouvertures de radiateur diminue en raison d'une augmentation majeure des fuites de capots, causée par l'agrandissement du jeu entre le capot et le rotor. Les simulations réalisées avec les propriétés de l'air à 25.0 C et a 46.2 C révèlent une réduction uniforme des débits massiques d'air dans la maquette lorsque la température augmente. Ceci est principalement causé par la diminution de la densité de l'air, puisque les débits volumiques demeurent presque identiques. De plus, la réduction de débit massique occasionne une réduction équivalente des pertes de ventilation.