Caractérisation expérimentale de la dynamique d'aération d'une conduite forcée

Sur les aménagements hydrauliques, les conduites forcées amènent l'eau depuis la prise en charge (retenue) jusqu’aux turbines situées plus bas. Elles convertissent l'énergie potentielle du barrage en énergie de pression/vitesse à l'entrée de l'aménagement hydroélectrique. La vanne de tête, située en partie haute des conduites forcées, est un organe d’ultime secours qui isole hydrauliquement la conduite forcée de l'aval en cas d'arrêt, de maintenance ou d'incident. Elle permet la fermeture rapide en cas de coupure de débit ou d'emballement, pour protéger l'installation. Il s’agit donc d’un organe de sécurité ultime (dernier organe capable de couper l'alimentation en eau).

Lors d'une coupure de débit, la colonne d'eau en aval continue de descendre par gravité, créant une dépression dans la conduite. Les organes d’admission d'air (aérations) à l’aval immédiat de la vanne de tête réintroduisent de l'air pour rétablir la pression évitant une dépression trop forte. Sans elles, les risques de vide, donc de collapse de conduite ou de cavitation sévère et incontrôlée sont réels. En conséquence, leur dimensionnement est un enjeu primordial afin, d’une part, d’éviter un coup de bélier lors de la fermeture (et d’assurer une fermeture suffisamment rapide pour protéger l’installation) et, d’autre part, pour limiter l’effort hydrodynamique sur le corps de vanne pour assurer sa tenue mécanique au cours d’une coupure de débit.

L’objectif de la thèse est de réaliser une maquette modulable avec entrainement gravitaire pour l'analyse à échelle réduite de scénarii de coupure de débit avec caractérisation des chargements et de l'écoulement diphasique afin d’enrichir la compréhension et les méthodes d'évaluation par modélisation numérique CFD avancée du comportement des organes de sécurité lors de coupures de débit. À terme, ce travail vise à enrichir les outils métier de l’ingénierie pour une meilleure prise en compte des aérations et des chargements hydrodynamiques sur les obturateurs, alimentant les études de danger des conduites forcées du parc hydraulique transmises à l’administration.

A l’heure actuelle, les principales données sont issues des sites d’exploitation ou de modèles réduits. L’objectif est de réaliser une démarche pas à pas permettant sur une même installation d’isoler les phénomènes pour mieux les comprendre avant de tous les prendre en compte. L’ingénierie se repose sur des formules empiriques ayant fait en partie leurs preuves au fil des années, cependant à l’heure du remplacement de certaines vannes de tête, des questions se posent sur les efforts générés lors des coupures de débit, en particulier pour de grands débits. D’un point de vue numérique CFD, les modèles de coupure de débit de conduites forcées sont rares dans la littérature. Ils ne tiennent en général pas compte de la cavitation et sont en conséquence inaptes à prédire l’écoulement pour de grands débits. La cavitation restant à l’heure actuelle un challenge pour la CFD.

Profil recherché

Ces travaux de recherche permettraient de constituer une base de validation concrète pour cette application, ainsi qu’un premier pas vers un modèle à échelle locale de cavitation à l’aval d’une vanne de conduite forcée se fermant dynamiquement. 

Cette thèse CIFRE s’adresse avant tout aux étudiants à la recherche d’un projet de recherche orienté mécanique des fluides, hydraulique et interaction fluide-structure, doté d’un bon sens physique et désireux de travailler dans une unité de R&D ou d’ingénierie pour le secteur de l’énergie.

Le candidat devra être à l’aise avec l’environnement unix, python, et avoir un bon niveau d’anglais. Des compétences expérimentales et en mécanique des fluides sont recommandées.

Ces travaux, d’une durée de 3 ans, se dérouleront dans les locaux d’EDF R&D à Chatou (78), au département MFEE (Mécanique des Fluides Energie et Environnement) et au sein de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.

Des déplacements en France et à l’étranger sont à prévoir. En effet, des partenariats avec la Suisse et le Canada sont en cours sur des sujets similaires, et le doctorant sera amené à présenter en conférence internationale.