Jets plongeants à grande échelle: impact, dissipation d'énergie et entraînement d'air – JetPlume

Nous proposons dans ce projet d’étudier l’impact d’un jet liquide sur un bassin, et l’entraînement d’air sous la surface à grande vitesse et à grande échelle. Les jets plongeants à grande échelle sont présents dans un grand nombre d’installations hydroélectriques, et y jouent un rôle important, en conditionnant la performance, en contribuant à l’oxygénation des rivières mais aussi du fait qu’ils posent des contraintes de sécurité pour les barrages du fait de l’érosion qu’ils peuvent générer. Malgré leur pertinence industrielle et écologique, leur modélisation reste très incomplète, en particulier aux grandes échelles. Il est par exemple actuellement impossible de prédire le débit d’air entraîné par un jet plongeant, ou la distribution des tailles de bulles générées. Le but de ce projet est d’étudier l’évolution des jets durant leur chute, leur impact avec une surface liquide, puis la dynamique du nuage de bulles créé. L’objectif est de fournir des données expérimentales et numériques, et de construire un modèle permettant sur le long terme de garantir une production d’énergie hydroélectrique efficace, sûre et écologique.

Nous proposons en pratique une étude des jets plongeants à la fois expérimentale (partenaires LEGI et LMFA) et numérique (CORIA), avec l’appui d’EDF sur les deux volets. L’étude expérimentale se fera à petite échelle (au maximum échelle métrique, en laboratoire) mais aussi à très grande échelle (échelle de la dizaine de mètres). Les principaux paramètres seront la hauteur de chute, la vitesse et le diamètre initiaux du jet et la géométrie d’injection. Le LEGI exploitera l’expérience très grande échelle ‘JetHigh’, déjà opérationnelle grâce au financement d’EDF : les diamètres d’injection peuvent aller jusqu’à 213 mm, les vitesses jusqu’à 35 m/s, avec une chute de 10 mètres dans un bassin de 23m de profondeur. Les modèles et simulations pourront être testés sur ce dispositif dans des conditions proches de celles des applications. Le CORIA complètera l’étude par une approche numérique, grâce à son expertise sur les écoulements diphasiques. Le code ARCHER, développé au CORIA, permet de capturer de façon réaliste la dynamique interfaciale même aux très grandes échelles. EDF participera à l’effort expérimental et aussi numérique (code SPH), en particulier grâce à son expertise sur les grandes installations et ses ressources numériques.

Les paramètres clés qui seront mesurés sont l’aération du jet (débit entraîné, taux de vide), la nature des corrugations à sa surface, sa dynamique, et de même l’extension du nuage de bulles créé et sa dynamique. Nous mesurerons aussi les distributions de tailles de bulles, les vitesses phasiques, et leurs distributions spatiales (mesures par sonde optique). Ces paramètres seront mesurés tout d’abord sur une configuration commune de jet rond (dite ‘benchmark’) par tous les partenaires, puis à partir de la 2e année du projet à grande échelle sur JetHigh (LEGI) et à échelle laboratoire dans d’autres géométries : nappe, faisceau de jets (LMFA). Notre objectif est aussi de développer des outils numériques et des capteurs qui pourront être utilisés sur JetHigh, et au-delà in situ dans des installations hydroélectriques.

Les points forts de ce projet sont la large gamme d’échelles couvertes par nos dispositifs ; la compétence des groupes expérimentaux qui sont spécialistes de la fragmentation, des écoulements diphasiques, de la turbulence et de la stabilité des écoulements en général ; la complémentarité avec le CORIA qui est un spécialiste reconnu des simulations diphasiques ; et surtout le partenariat avec EDF, qui garantira le lien avec les applications tout en apportant une expertise complémentaire en ingénierie hydraulique.