Equations de la mécanique des fluides

Equations de la mécanique des fluides

Les technologies

L’hydroélectricité, qui permet de transformer l’énergie hydraulique en électricité, est divisée en trois formes principales de production : les centrales hydroélectriques, les stations de pompage turbinage et les usines marémotrices. Les centrales hydroélectriques peuvent être catégorisées en trois parties :  Les centrales à accumulation qui stockent de l’eau dans un lac de réserve, l’eau est turbinée· lorsque la demande d’électricité est élevée.  les centrales au fil de l’eau qui sont construites directement dans le cours d’eau.·  les centrales avec dérivation qui présentent un barrage en amont de la centrale dérivant· une partie du débit dans un canal. En Suisse la production des centrales au fil de l’eau, barrages avec dérivation inclus, constitue 48.3% de la production hydraulique. L’autre part de la production est assurée à hauteur de 47.4% par les centrales à accumulation [8]. Les stations de pompage-turbinage sont considérées comme des centrales qui peuvent à la fois fonctionner comme des centrales hydroélectriques de production conventionnelles mais également fonctionner en mode pompage afin de stocker de l’eau. Ce double usage de l’eau est utile afin de pouvoir absorber les surplus de production des sources stochastiques et renouvelables et de répondre aux demandes électriques à l’instar des centrales à accumulation conventionnelles. Damien Pettinaroli Projet de Bachelor-Diplôme 2018 9 Concernant les usines marémotrices, elles fonctionnent grâce aux marées et à la différence du niveau d’eau engendrée. L’énergie marémotrice est évaluée mondialement à plus de 380 TWh/an [9]. Néanmoins, la fraction récupérable est très faible et seuls quelques sites sont potentiellement exploitables. La plus puissante usine marémotrice est celle de Shiwa Lake en Corée du Sud. D’une puissance de 254 MW elle dépasse l’usine de la Rance, située dans le nord-est de la Bretagne, première usine marémotrice de ce genre d’une puissance de 240 MW. Au sein de ces ouvrages hydroélectriques, les turbines, composantes essentielles, permettent la transformation de l’énergie hydraulique en énergie mécanique et peuvent avoir plusieurs profils. Il existe deux catégories de turbines, celles à action et celles à réaction. Les turbines à action transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif amovible (injecteur), avant d’actionner la partie mobile. La plus courante des turbines à action est la turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, elle est constituée d’une roue à augets (figure 1) A l’inverse, pour les turbines à réaction, c’est la partie mobile qui provoque une différence de pression entre l’entrée et la sortie. Dans cette catégorie, la turbine Francis ainsi que la turbine Kaplan sont les plus utilisées. La figure 2 illustre la turbine Francis, principalement utilisée pour des chutes moyennes. Elle se caractérise par une roue à aubes où l’eau s’introduit radialement dans la turbine et en sort axialement au centre vers le bas. C’est le type de turbine le plus utilisé dans le monde.. Concernant la turbine Kaplan (figure 3), évolution technique de la turbine Francis, il s’agit d’une turbine à hélice, qui se distingue par des pales à orientation variable. Elle est généralement utilisée pour les basses chutes. Il existe également d’autres utilisations de l’énergie hydraulique, moins connues mais très diversifiées qui sont soit en phase de développement, soit en fonctionnement :  L’énergie osmotique·  L’énergie thermique des mers·  L’énergie des vagues·  L’énergie hydrolienne· L’énergie osmotique ainsi que l’énergie thermique des mers sont une utilisation indirecte de l’eau. En effet, la première forme d’énergie se base sur le phénomène d’osmose [13] qui fonctionne sur la différence de salinité des eaux douces et salées.

Cadre de l’étude

En Suisse, le premier prototype d’hydrolienne (figure 5) a été installé et testé sur une période de 6 mois en 2017 dans le canal de fuite de l’usine hydroélectrique de Lavey. Ce projet est mené par le groupe hydroélectricité de la –Haute Ecole d’Ingénierie de la HES-SO Valais//Wallis-[27] avec le soutien de la Fondation The Ark et du programme de soutien aux projets pilotes et de démonstration de l’Office Fédéral de l’Energie (OFEN). La turbine d’une puissance de 1 kW est déployée dans le canal de fuite de la centrale dans l’idée de valider le processus de développement par simulation numérique et à terme de valoriser au mieux ces types de ressources Durant la période de test, la première étape consistait à valider les résultats numériques [28] préalablement obtenus en mesurant expérimentalement les performances de la turbine. Ces dernières se sont avérées positives puisque profitant d’un effet de Venturi, la limite théorique de Betz, décrite au chapitre 3.2, a été franchie. L’hydrolienne a par ailleurs un faible impact sur l’environnement car il n’y a pas de barrage ainsi qu’un dérangement sonore quasiment nul, contrairement aux éoliennes. Il s’agit est dès lors d’un excellent acteur de la Stratégie énergétique 2050. Tous ces éléments sont encourageants pour une possible implantation d’une ferme d’une dizaine d’hydroliennes sur le site. 2.2. Cahier des charges L’objectif du travail de diplôme est de pré-dimensionner une ferme d’hydroliennes sur le canton de Genève par simulation numérique. Les étapes suivantes ont été réalisées afin de pouvoir répondre à l’objectif principal du travail. 1. Prise en main des logiciels ANSYS CFX et ICEM. 2. Mise en place d’un modèle simplifié d’une hydrolienne. 3. Analyse de l’influence d’une machine sur ses voisines. 4. Identification d’un site dans la région de Genève. 5. Pré-dimensionnement d’une ferme . Les logiciels utilisés La suite des logiciels ANSYS [29]utilisés afin d’effectuer des simulations numériques sont :  ICEM CFD : Logiciel permettant la réalisation du maillage du volume fluide·  CFX-Pre : Logiciel permettant de définir le set up numérique du calcul·  CFX-Solver : Logiciel basé sur une méthode « volumes finis » résolvant les équations fluides·  CFX-Post : Logiciel permettant d’analyser et de visualiser les résultats· 3. Etat de l’art 3.1. Equations de la mécanique des fluides Le domaine physique qui étudie le comportement des fluides est la mécanique des fluides. De manière générale, la mécanique des fluides appartient à la mécanique des milieux continus qui permet de modéliser la matière (solide, liquide, gazeux). La majorité des fluides étudiés dans la mécanique des fluides sont décrits par les équations de Navier-Stokes [30]. De plus, la plupart des fluides sont dits newtoniens, c’est-à-dire qu’ils sont caractérisés par une viscosité isotrope qui évolue avec la pression et la température. Ce domaine physique est divisé en deux parties, la statique des fluides, dit l’hydrostatique, qui est la science des fluides au repos et la dynamique des fluides, dit hydrodynamique, qui est la science des fluides en mouvement. Ce travail s’inscrit dans l’hydrodynamique car le comportement d’un écoulement autour d’un élément est étudié. Afin de pouvoir évaluer les performances des hydroliennes, il faut tout d’abord décrire les équations de Navier-Stockes incompressibles, intégrant les équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement.

Table des matières

1. Introduction
1.1. L’énergie hydraulique aujourd’hui
1.2. Les technologies
1.3. Les hydroliennes
2. Cadre de l’étude
2.1. Projet Lavey
2.2. Cahier des charges
2.3. Planning
2.4. Les logiciels utilisés
3. Etat de l’art
3.1. Equations de la mécanique des fluides.
3.2. Limite de Betz
3.3. Simulation numérique
3.3.1. Le maillage
3.3.2. Les modèles de turbulence
3.3.3. La couche limite
4. Méthodologie
4.1. Problématique
4.2. Modèle simplifié d’une machine
4.3. Ferme
4.4. Schéma
5. Set up numérique
5.1. Géométrie
5.2. Domaine de calcul
5.3. Maillage
5.4. Conditions aux limites
5.5. Conditions initiales
6. Résultats
6.1. Critères de qualité
6.1.1. Convergences des calculs
6.1.2. yaux parois Damien Pettinaroli Projet de Bachelor-Diplôme 2018
6.1.3. Coefficient de performance
6.1.4. Qualité des interfaces
6.1.5. Conclusion
6.2. Performances de l’hydrolienne
6.3. Analyse de l’écoulement
6.3.1. Lignes de courants
6.3.2. Répartition des débits
6.4. Analyse des pertes de charges
6.5. Détermination d’un modèle simplifié
6.6. Validation du modèle simplifié
6.7. Conclusion
7. Site pilote
7.1. Situation géographique
7.2. Caractérisation du site
7.3. Potentiel
7.3.1. Profils sélectionnés
7.3.2. Tarage, sections et débits
7.3.3. Potentiel théorique
7.3.4. Potentiel de ferme
8. Conclusion
9. Perspectives
10. Remerciements
11. Date et Signature
12. Références bibliographiques
13. Annexes

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