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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/281374869 Presentation CFM Data · August 2015 CITATIONS 0 READS 4,134 6 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: sediment transport View project Sediment transport View project Guilhem Dellinger Ecole Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg 27 PUBLICATIONS 92 CITATIONS SEE PROFILE Matthieu Dufresne University of Strasbourg 82 PUBLICATIONS 371 CITATIONS SEE PROFILE Abdelali Terfous National Institute of Applied Science, Strasbourg, France 118 PUBLICATIONS 749 CITATIONS SEE PROFILE José Vazquez Ecole Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg 135 PUBLICATIONS 657 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Guilhem Dellinger on 31 August 2015. The user has requested enhancement of the downloaded file. Etude expérimentale et numérique de la vis d'Archimède utilisée en tant que turbine G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Congrès Français de Mécanique Lyon 24-28 Août Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives 1 Introduction 2 Modèle théorique et expérimentations 3 Simulation Numérique sous OpenFoam 4 Perspectives G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Micro-centrale à vis d'Archimède Caractéristiques principales d'une micro centrale Paramètres géométriques d'une vis Problématiques Installation dans les cours d'eau Faible hauteur de chute : 1 −10 m Faible débit : 1 −10 m3.s-1 Puissance maximale : 500 kW Rendement moyen : η ≃80 % Source : Andritz Group Energie potentielle du uide →Energie mécanique G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Micro-centrale à vis d'Archimède Caractéristiques principales d'une micro centrale Paramètres géométriques d'une vis Problématiques Hauteur de chute : H Débit : Q Vitesse de rotation : n Inclinaison de la vis :β Niveau d'eau amont : hin Niveau d'eau aval : hout Puissance hydraulique : Phyd = ρ.g.Q.H Puissance mécanique : Pmec = C.ω Q H hin hout β S Lb L Ri Ra n G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Micro-centrale à vis d'Archimède Caractéristiques principales d'une micro centrale Paramètres géométriques d'une vis Problématiques Rayon extérieur : Ra Rayon intérieur : Ri Pas de vis : S Longueur totale : L Longueur letée : Lb Nombre de lets : N G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Micro-centrale à vis d'Archimède Caractéristiques principales d'une micro centrale Paramètres géométriques d'une vis Problématiques Problématiques Pour une hauteur de chute H et un débit Q donnés, comment dois-je dimensionner ma turbine ? Quelle énergie vais-je pouvoir produire tout au long de l'année ? Objectifs et travaux Identi er et quanti er par des modèles théoriques les diérentes pertes de charge Etudier expérimentalement les performances de la turbine et valider les modèles théoriques Etudier l'écoulement au sein de la turbine en vue d'améliorer sa géométrie et les modèles théoriques G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Identi cation des pertes de charge et de débit Dispositif expérimental Résultats Pertes de puissances hydrauliques au sein d'une installation : Fuites entre l'auge et les pales : Pf Fuites par sur-remplissage : Pfs Frottements eau/auge : Pf ,auge Frottements eau/âme centrale : Pf ,ame Frottements eau/pales : Pf ,pale Rendement hydraulique de la micro centrale : η = 1 −(Pf + Pf ,auge + Pf ,ame + Pf ,pale + Pfs) ρ.g.Q.H G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Identi cation des pertes de charge et de débit Dispositif expérimental Résultats Rayon extérieur de la vis Ra (m) 0,096 Rayon intérieur de la vis Ri (m) 0,052 Pas de vis S (m) 0,192 Longueur letée de la vis LB (m) 0,4 Nombre de lets de la vis N 3 Inclinaison β (◦) 18 ... 30 Vitesse de rotation n (tr.min-1) 60 ... 180 Débit Q (m3.s-1) 0,001 ... 0,004 Niveau d'eau aval hout (m) 0 ... 0,25 G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Identi cation des pertes de charge et de débit Dispositif expérimental Résultats Vitesse de rotation variable : 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Cvis (N.m) η (-) n (tr/min) Rendement expérimental Rendement théorique Couple expérimental Couple théorique β = 24° Q = 3 l/s Point de remplissage optimal Sur-remplissage Sous-remplissage Existence d'une vitesse de rotation optimale. Bon accord entre résultats théoriques et expérimentaux. G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Identi cation des pertes de charge et de débit Dispositif expérimental Résultats Vitesse de rotation variable : 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 60 70 80 90 100 110 120 130 140 P/Phyd (-) n (tr/min) Frottements sur ame centrale Frottements sur pales Frottements sur auge Fuites pales - auge Fuites sur-remplissage Perte totale β = 24° Q = 3 ls Pertes prépondérantes : frottements visqueux eau/pales puis fuites. L'ordre peut être inversé suivant la taille de la vis. G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Identi cation des pertes de charge et de débit Dispositif expérimental Résultats Débit variable : 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Q/Qnom (-) Experimental efficiency Theoretical efficiency Experimental torque Theoretical torque β = 24° n = 90 min-1 Under-filling Over-filling Optimal filling point η (-) Cscrew (Nm) Rendement élevé sur une large gamme de débit. Décrochage du modèle pour les faibles remplissages de vis. G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Modélisation Maillage Résultats Ecoulement et Turbulence Reynolds Averaged Navier Stokes Equations (RANS) ⇓ SST k −ω ⇓ ( k −ω : Proche paroi k −ϵ : Loin des parois - Nombre de Reynolds élevé Surface libre Volume Of Fluid (VOF) ( α = 1 : Eau α = 0 : Air ⇒ ( µ = α.µeau + (1 −α).µair ρ = α.ρeau + (1 −α).ρair G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Modélisation Maillage Résultats Calcul du couple Couple moteur : Origine : Pression du uide sur les pales de la vis Force élémentaire : − − → dFm = dA.P.− → n Couple frein : Origine : Frottement visqueux sur la vis Contrainte de cisaillement : τ = ρ.(νt + ν).∂U ∂n Force élémentaire : − → dFf = τ.dA.− → u Couple total : Cvis = Cmoteur −Cfrottement Critères de convergence Stabilisation du niveau d'eau aval : hin Stabilisation de la valeur du couple : Cvis Bilan de masse G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Modélisation Maillage Résultats Maillage : Domaine Vis Inlet Barrage Auge AMI1-AMI2 Outlet BlockMesh →SnappyHexMesh →5 millions de mailles G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Modélisation Maillage Résultats Fuites par sur-remplissage Fuites entre auge et pales Q = 2.8 l.s-1 n = 70 tr.min-1 β = 24° G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Modélisation Maillage Résultats Q = 2 l.s−1 n = 70 tr.min−1 β = 24◦ G. DELLINGER, A. TERFOUS, P-A. GARAMBOIS, M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ, A. GHENAIM Optimisation des vis d'Archimède Introduction Modèle théorique et expérimentations Simulation Numérique sous OpenFoam Perspectives Modélisation Maillage Résultats Débit variable : 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 Cvis (N.m) Q (l/s) Expérimental CFD β = 24° n = 70 tr/min 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 η (-) Q (l/s) CFD Expérimental β = 24° n = 70 tr/min η uploads/Science et Technologie/etude-experimentale-et-numerique-de-la-vis-d-x27-achimede-utilisee-en-tant-que-turbine.pdf