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Numerical and experimental evidence of the inter-blade cavitation vortex development at deep part load operation of a Francis turbine

Résumé

Francis turbines are subject to various types of the cavitation flow depending on the operating condition s. In order to compensate for the stochastic nature of renewable energy sources, it is more and more required to extend the operating range of the generating units, from deep part load to full load conditions. In the deep part load condition, the formation of cavitation vortices in the turbine blade-to-blade channel s called inter -blade cavitation vortex is often observed. The understanding of the dynamic characteristics of these inter -blade vortices and their formation mechanisms is of key importance in an effort of developing reliable flow simulation tools. This paper reports the numerical and experimental investigations carried out in order to establish the vortex characteristics, especially the inception and the development of the vortex structure. The unsteady RANS simulation for the multiphase flow is performed with the SST - SA S turbulence model by using the commercial flow solver ANSYS CFX. The simulation results in terms of the vortex structure and the cavitation volume are evaluated by comparing them to the flow visualization s of the blade channel acquired through a specially instrumented guide vane as well as from the downstream of the runner across the draft tube cone. The inter-blade cavitation vortex is successfully captured by the simulation and both numerical and experimental results evidence that the inter -blade vortices are attached to the runner hub.

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Simulation de phénomènes
La simulation de phénomènes est un outil utilisé dans le domaine de la recherche et du développement. Elle permet d'étudier les réactions d'un système à différentes contraintes pour en déduire les résultats recherchés en se passant d'expérimentation. Les systèmes technologiques (infrastructures, véhicules, réseaux de communication, de transport ou d'énergie) sont soumis à différentes contraintes et actions. Le moyen le plus simple d'étudier leurs réactions serait d'expérimenter, c'est-à-dire d'exercer l'action souhaitée sur l'élément en cause pour observer ou mesurer le résultat.
Turbine Francis
vignette|Coupe d'une turbine Francis. Dans la volute en forme de spirale, l'eau pénètre radialement dans la turbine et en sort axialement au centre vers le bas. Une turbine Francis est une turbine hydraulique de type « à réaction ». Elle est adaptée à des hauteurs de chute moyennes (de ), pour des puissances et débits moyens ou forts (tel le barrage d'Itaipu), à savoir de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts pour des débits de /s.
Réponse à la demande
La réponse à la demande (demand response) comprend, de manière générale, tous les moyens mis en place pour changer le profil de consommation de l'électricité par les utilisateurs et donc la consommation totale électrique. D'après la Federal Energy Regulatory Commission américaine, elle est le changement d'utilisation de l'électricité par le consommateur final par rapport à l'usage habituel en réponse aux changements de prix de l'électricité au cours du temps, ou des remboursements destinés à diminuer l'usage de l'électricité lors de maxima des prix dans le marché de gros ou lors d'instabilité du réseau électrique.
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