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MODELISATION ET CARACTERISATION D’UNE TURBINE DE TESLA MEMOIRE POUR L’OBTENTION

MODELISATION ET CARACTERISATION D’UNE TURBINE DE TESLA MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU MASTER EN INGENIERIE DE L’EAU ET DE L’ENVIRONNEMENT INGENIEUR 2iE - OPTION : ENERGIE ET PROCEDES INDUSTRIELS Présenté et soutenu publiquement le 14 Juin 2011 Par : David Blaise TSUANYO Travaux supervisés par : Dr Yao AZOUMAH Responsable du LESEE/2iE & M. Bruno BOUTEILLE Directeur Général de SIREA- France JURY D’EVALUATION : - Pr. Didier LECOMTE - Dr. Mariam PABYAM - Dr. Yao AZOUMAH - M. Bruno BOUTEILLE Promotion 2010/2011 Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 i DEDICACE A mon très chèr Papa M. David Tsuanyo Tu as toujours été ma motivation la plus profonde, retrouve ici l’expression de tes efforts. Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 ii REMERCIEMENTS Je tiens à commencer ces remerciements en témoignant de ma profonde reconnaissance envers le Service de Coopération et d‟Action Culturelle de l‟Ambassade de France du Cameroun pour le financement accordé à ma formation. Je remercie de tout cœur M. Bruno BOUTEILLE pour son parrainage, la direction de ce mémoire et pour m‟avoir donné l‟occasion de travailler dans le partenariat SIREA/2iE. J‟exprime ma profonde gratitude au Dr. Yao AZOUMAH pour tout le soutien, la confiance, la supervision, l'orientation opportune et la codirection de ce mémoire. Ses conseils et sa bienveillance ont été d‟un apport incommensurable tout au long de ma formation. Je remercie également le Doctorant Daniel YAMEGUEU, les Ingénieurs Henri KOTTIN, Madieumbe GAYE, Innocent COMPAORE et Baptiste LAVIGNE pour les conseils, l‟assistance, les soutiens inconditionnels qu‟ils m‟ont accordés. J'ai énormément apprécié la disponibilité et les corrections apportées par Alain FOSSI, Eric NOUMI, Magloire NANA, Lassana SANA et Alexandrine EKOUBE: je leur dis sincèrement merci. Je remercie tous mes collègues de stage pour la bonne ambiance que nous avons partagé. L‟entraide et la joie lors des bons et mauvais moments resteront toujours dans mon esprit. Un grand merci aux familles TSUANYO, NDETEKENG, TCHANGNE, TIMENE, TCHOTSOUA, SAAH et GOUADO pour leur amour et leurs présences incessantes. Je pense particulièrement au personnel de la Fondation 2iE, à mes camarades de promotion, aux communautés camerounaise et burkinabè, et à tous ceux là qui n‟ont cessé de m‟encourager et de me motiver : sincères remerciements. Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 iii RESUME/ABSTRACT RESUME Ce mémoire présente les résultats d'une simulation numérique de l'écoulement dans la turbine de Tesla. Cette turbine, classée non conventionnelle car utilisant des disques lisses au lieu des aubes, est décrite principalement par l‟écoulement du fluide sur un disque par rapport à une vitesse, une pression ou un débit d‟entrée. Elle est spéciale par sa capacité à contourner les principaux inconvénients des turbines conventionnelles. Afin de décrire son comportement, la vitesse de rotation est maintenue constante dans le but de simuler la trajectoire et les contours de vitesses et de pressions du fluide. Certains auteurs caractérisent le régime de son écoulement de transitoire (laminaire et turbulent) ; nous présentons la méthodologie et l‟analyse de la version laminaire de ce type de flux en utilisant l‟outil CFD « fluent » à partir d‟un modèle numérique de l‟écoulement entre deux disques en co-rotation en 3D. Une simulation d‟un modèle complet d‟une turbine de Tesla est limitée par le temps et les ressources informatiques. Mots clés : simulation numérique, aubages, viscosité, couche limite, écoulement. ABSTRACT This master thesis presents the results of a numerical simulation of flow in the Tesla turbine. This turbine, rated as unconventional because using smooth disks instead of blades, is described mainly by the flow of fluid onto a disc relatively to a speed, pressure or inlet flow. It is special by its ability to overcome the major drawbacks of conventional turbines. To describe his behavior, the rotational speed is kept constant in order to simulate the trajectory and the contours of velocities and fluid pressures. Some authors characterize his flow regime as transient (laminar and turbulent). We present the methodology and analysis of the laminar version of this type of flow using CFD "fluent" from a numerical model of flow between two co-rotating disks in 3D. A simulation of a complete model of Tesla turbine is limited by time and informatics resources. Keywords: Numerical simulation, blades, viscosity, boundary layer, flow. Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 iv ABREVIATIONS ET DEFINITIONS ABREVIATIONS : 2iE : Institut International d‟Ingénierie de l‟Eau et de l‟Environnement LESEE : Laboratoire Energie Solaire et Economie d‟Energie CFD : Computational Fluid Dynamics CAO : Conception Assistée par Ordinateur CSP : Centrale Solaire à Concentration RAM : Random Access Memory GES : Gaz à Effet de Serre Re : nombre de Reynolds DEFINITIONS IMPORTANTES : Viscosité (ou viscosité dynamique) : rapport de la contrainte de cisaillement au taux de déformation associé au cisaillement. Viscosité cinématique: rapport de la viscosité dynamique par la masse volumique. Fluide newtonien : un fluide est en écoulement newtonien lorsque la relation contrainte-taux de déformation est linéaire et isotrope. Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 1 SOMMAIRE DEDICACE .......................................................................................................................... i REMERCIEMENTS ........................................................................................................... ii RESUME/ABSTRACT ...................................................................................................... iii ABREVIATIONS ET DEFINITIONS ............................................................................... iv SOMMAIRE .........................................................................................................................1 LISTE DES FIGURES .........................................................................................................3 LISTE DES TABLEAUX .....................................................................................................4 INTRODUCTION ................................................................................................................5 1- Contexte ......................................................................................................................5 2- Problématique : ............................................................................................................6 3- Objectif et démarche ....................................................................................................6 4- Présentation du lieu de stage ........................................................................................7 Partie 1 : Etude Bibliographique .......................................................................................9 I- Les turbines conventionnelles ....................................................................................9 1- Généralités ...............................................................................................................9 2- Descriptifs de différents types de turbines conventionnelles.................................... 10 3- Synthèse Bibliographique. ...................................................................................... 15 II- La turbine de TESLA .............................................................................................. 16 1- Historique............................................................................................................... 16 2- Principe de fonctionnement de la Turbine de TESLA ............................................. 16 3- Etude comparative de la turbine de TESLA avec les turbines conventionnelles....... 19 4- Les limites à l‟essor technologique de la Turbine de TESLA .................................. 20 Partie 2 : Méthodologie de l’étude numérique pour la turbine de Tesla. ......................... 23 I- Le modèle numérique .............................................................................................. 23 1- Les simplifications apportées .................................................................................. 23 2- Présentation du modèle géométrique ...................................................................... 24 Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 2 II- Les équations gouvernant l’écoulement du fluide dans la turbine de Tesla. ......... 25 1- Conservation de la masse........................................................................................ 25 2- Conservation de la quantité de mouvement ............................................................. 26 3- Conservation de l‟énergie ....................................................................................... 26 4- Les hypothèses simplificatrices .............................................................................. 27 III- Les paramètres à analyser ....................................................................................... 28 1- Les paramètres d‟entrée .......................................................................................... 28 2- Les paramètres de sortie ......................................................................................... 29 IV- La méthode de discrétisation ................................................................................... 30 1- Briefing des différentes méthodes de discrétisation courantes. ................................ 30 2- Aperçu du code « Fluent » ...................................................................................... 31 3- Aperçu de Gambit .................................................................................................. 31 V- La résolution sous « Fluent » ................................................................................... 32 1- L‟organigramme de résolution adopté..................................................................... 32 2- Détails des étapes de résolution .............................................................................. 33 Partie 3 : Présentation des résultats ................................................................................... 34 I- Présentation du maillage et calculs. ........................................................................ 34 1- Maillage ................................................................................................................. 34 2- Préparation des calculs et conditions aux limites ..................................................... 35 II- Présentation des résultats ........................................................................................ 36 1- Résultats pour utilisation de l‟air comprimé comme fluide. ..................................... 36 2- Résultats pour l‟utilisation de la vapeur d‟eau comme fluide................................... 40 3- Comparaison avec le modèle 3D de „Andrès Ladino‟ [19] ...................................... 43 4- Discussion Générale ............................................................................................... 46 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ............................................................................... 47 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................. 48 Annexes ............................................................................................................................... 50 Modélisation et caractérisation d’une turbine de Tesla Par David Blaise TSUANYO- Mémoire de fin d’études de Master d’Ingénierie Option : Energie et procédés Industriels- 2iE- 2010/2011 3 LISTE DES FIGURES Figure 1: Principe de turbine à action ......................................................................................9 Figure 2: Principe de turbine à réaction ...................................................................................9 Figure 3: Turbine à vapeur .................................................................................................... 10 Figure 4: principe d'une turbine à Gaz .................................................................................. 11 Figure 5: principe turbine hydraulique [11] ........................................................................... 13 Figure 6: Une éolienne ......................................................................................................... 14 Figure 7: principe de fonctionnement [14] ............................................................................ 17 Figure 8: 1ère turbine de Tesla [14] ...................................................................................... 17 Figure 9: prototype conçu sous Solidworks ........................................................................... 18 Figure 10: vue éclatée de la turbine conçue ........................................................................... 18 Figure 11: modèle simplifié de la turbine de Tesla ................................................................ 24 Figure 12: mailles hexa/tétra ................................................................................................. 32 Figure 13: les différentes vues du modèle (sous Gambit) ..................................................... 34 Figure 14: zoom et vérification du maillage .......................................................................... 35 Figure 15: grille de maillage (Gambit) ................................................................................. 35 Figure 16: courbe de convergence air comprimé ................................................................... 36 Figure 17: contour plein d'évolution de la pression ............................................................... 37 Figure 18: contour des lignes de pression totale .................................................................... 37 Figure 19: contour de la vitesse de l'écoulement ................................................................... 38 Figure 20: profil de décroissance de a vitesse........................................................................ 38 uploads/Geographie/ memoire-tsuanyo-modelisation-et-caracterisation-dune-turbine-de-tesla 1 .pdf