Nouvelles Evolutions des Turbines Hydroélectriques grâce à l'Utilisation d'un Nouvel outil de Simulation – NETHUNS

Dans la mythologie Étrusque, Nethuns était le dieu des eaux. Les Étrusques sont en particulier connus pour leur talent d’hydraulicien. Cependant, même si l’ingénierie hydraulique existe depuis plus de deux millénaires, la discipline scientifique associée, la mécanique des fluides, reste l’un des grands défis de la physique moderne. En effet, en raison du caractère chaotique des écoulements turbulents, personne ne l’a encore analysée de manière rigoureuse, malgré son importance pour de nombreuses applications industrielles.

C’est dans ce contexte, que General Electric Hydro France et le LEGI mèneront le projet NETHUNS (pour Nouvelles Évolutions des Turbines Hydroélectriques grâce à l'Utilisation d'un Nouvel outil de Simulation). Ce projet a pour ambition une nouvelle synergie entre recherche fondamentale et développement industriel pour comprendre les instabilités hydrodynamiques qui peuvent apparaître dans les centrales hydroélectriques, et ainsi proposer des designs innovants de turbines. Pour atteindre cet objectif, le projet développera un outil de simulation innovant qui tirera pleinement avantage des nouvelles opportunités offertes par la croissance de la puissance de calcul. Le projet relèvera tous les défis en lien avec l’analyse avancée des écoulements dans les turbines hydroélectriques à partir de simulations de hautes-fidélités. Le projet sera donc composé de deux axes principaux : (i) l’analyse des phénomènes hydrodynamiques, et (ii) le développement de nouvelles stratégies de simulation.

Le principal objectif des nouvelles turbines est de fonctionner efficacement sur une large gamme de points d’opération pour permettre l’intégration des énergies renouvelables intermittentes. Cela nécessite de mieux comprendre les écoulements turbulents dans les turbines, afin de contrôler leurs conséquences. Deux principaux verrous seront investigués pendant le projet. Il s’agira d’abord d’étudier la structure tourbillonnaire apparaissant au centre du diffuseur. Cette structure impacte fortement les pertes de charges, et donc le rendement global de la turbine. Le cas particulier des pompes-turbines sera également considéré. C’est le principal moyen pour stocker de l’énergie et apporter de la flexibilité au réseau électrique. Pour certains points d’opération de pompage, la machine est instable en raison de l’apparition d’un décollement tournant dans le distributeur qu’il faut comprendre pour espérer réduire les effets.

Pour réaliser des percées significatives sur la compréhension de tels écoulements complexes, une nouvelle approche de simulation doit être proposée. L’objectif d’un tel outil est d’obtenir une description des instationnarités de l’écoulement avec un coût de calcul accessible. Dans ce projet, de nouveaux développements seront réalisés dans le code YALES2, l’un des codes les plus performants actuellement. Ces développements consisteront à proposer des méthodes numériques précises et robustes pour éviter des surcoûts liés à des contraintes numériques. De plus, puisqu’il n’est pas encore possible de résoudre explicitement toutes les échelles spatiotemporelles des écoulements turbulents dans une configuration industrielle, certaines échelles doivent être modélisées. Un objectif est ainsi de développer une stratégie de modélisation pour permettre une fiabilité optimale, avec un niveau de description de l’écoulement suffisant, et à un coût de calcul réduit.

Au-delà de ces deux axes de recherche, le projet permettra une nouvelle synergie entre les partenaires avec une implication du partenaire industriel dans le développement du code. Une part du projet NETHUNS sera également consacrée à la formation dans le domaine de « la simulation avancée pour le design de systèmes énergétiques » à différents niveaux : par la formation continue des ingénieurs, par un réseau réunissant doctorants, postdoctorants et ingénieurs, et par un renforcement de cette thématique dans le programme de l’école d’ingénieur ENSE3.