Modélisation expérimentale et numérique d'un tourbillon de vidange avec injection en régime super-critique

Experimental and numerical simulation of a supercritical bathtub vortex with an injection

¹ GEPS Techno
e-mail: gaspard.fourestier@geps-techno.com
² Ifremer
³ ENSTA Bretagne

Résumé

Un type d'usine hydroélectrique pour faible hauteur de chute est étudié. Il se base sur la formation d'un tourbillon de vidange au sein duquel est plongée une turbine. Dans un premier temps le tourbillon de vidange est étudié sans turbine. Une campagne expérimentale permettant l'étude de ce tourbillon de vidange est conduite. Lors de cette campagne, les hauteurs d'eau et les vitesses dans le tourbillon sont mesurées. Ces dernières sont déterminées en utilisant un système de vélocimétrie laser (Laser Doppler Velocimetry, LDV). Un modèle numérique du tourbillon est réalisé avec le solveur interFoam du logiciel OpenFOAM 2.2.2, avec une approche diphasique. Les données expérimentales sont comparées qualitativement et quantitativement aux données numériques. Un calcul est réalisé en laminaire et les modèles de turbulence k-ε RNG et k-ω SST sont testés. Globalement le calcul laminaire et le modèle k-ω SST représente correctement le phénomène physique observé. Les vitesses proches de la surface libre sont moins bien estimées.

Abstract

One type of low head hydropower plant is studied. This solution, based on a bathtub vortex, is called the gravitational vortex hydropower. It consists in a turbine placed at the center of the vortex which harvests the vortex kinetic energy. As a first step, the bathtub vortex is studied without the turbine, in the supercritical flow regime. An experimental campaign is carried out to study this bathtub vortex. Water heights are measured using acoustic sensors in seven points in the tank. A laser Doppler velocimetry device is deployed to measure the velocities in three planes in the water flow. Simulations are performed using OpenFOAM 2.2.2 with a two phase approach using the volume of fluid method (solver interFoam). First simulations are performed without any modelling of turbulent phenomena (laminar model), afterwards the k-ε RNG model and the k-ω SST model are tested. The experimental data are compared qualitatively and quantitatively to the values extracted from the numerical model. The laminar and k-ω SST turbulence model calculate accurately the water heights in the tank. The water heights predicted by the k-ε RNG turbulence model are lower than the measured ones. Generally, velocity profiles calculated by laminar and k-ω SST turbulence model are close to the experimental. In the vicinity of the free surface differences are higher. Radial and axial velocities calculated by the k-ω SST turbulence model are closer to the experimental velocities than those computed with the laminar model.