Projet de recherche soutenu par l’Office fédéral de l’énergie
L’intégration croissante de l’éolien et du photovoltaïque dans le système électrique renforce le besoin de flexibilité. Grâce à leur capacité à modifier rapidement leur puissance, les centrales hydroélectriques jouent un rôle essentiel pour équilibrer le réseau.
Cette flexibilité accrue implique cependant des démarrages, arrêts et changements de charge beaucoup plus fréquents. Ces régimes transitoires génèrent des sollicitations hydrauliques et mécaniques importantes sur les roues, arbres, distributeurs et autres composants des machines. Le rapport TIPS rappelle ainsi que le nombre de cycles de démarrage-arrêt peut passer de quelques cycles par an dans une exploitation traditionnelle à plusieurs centaines, voire davantage, dans une exploitation fortement flexible.
Pouvoir prédire correctement ces sollicitations devient donc essentiel pour concilier flexibilité du système électrique et durée de vie des installations hydroélectriques.
Simuler simultanément la machine et l’ensemble du circuit hydraulique
Lors d’un événement transitoire, la machine hydraulique ne peut pas être considérée indépendamment de son environnement. Les variations de débit et de pression générées dans la turbine se propagent dans les conduites, tandis que la réponse du circuit hydraulique influence en retour l’écoulement dans la machine.
Le projet TIPS vise à représenter cette interaction en combinant deux approches numériques complémentaires :
- SIMSEN, qui permet de représenter efficacement en 1D les conduites, réservoirs et phénomènes hydroacoustiques de l’ensemble de l’aménagement ;
- ANSYS CFX, utilisé en 3D dans les zones où une description détaillée de l’écoulement est nécessaire, en particulier à l’intérieur de la turbine.
Les deux modèles échangent leurs conditions hydrauliques au cours du calcul grâce à une méthode de co-simulation 1D–3D. L’objectif est de conserver la précision de la CFD dans la machine tout en évitant le coût prohibitif d’une simulation tridimensionnelle de l’ensemble du circuit hydraulique.
Ce projet finance la thèse de Doctorat de Mathieu Mettille.
Une méthodologie validée progressivement
Le développement est mené par étapes, depuis un cas académique bien maîtrisé jusqu’à des machines hydroélectriques réelles.
La première phase s’appuie sur un écoulement autour d’un semi-cylindre placé dans une conduite. Le détachement périodique de tourbillons génère des fluctuations susceptibles d’exciter les fréquences propres du système hydraulique. Ce cas permet ainsi d’étudier de manière contrôlée les phénomènes de résonance hydroacoustique, avec ou sans cavitation.
Les résultats montrent que la co-simulation reproduit correctement le mécanisme de résonance. En régime sans cavitation, la configuration associant un couplage 1D–3D et le modèle de turbulence SAS-SST donne notamment le meilleur accord avec les mesures expérimentales.
Passer du cas académique à une pompe-turbine industrielle
La méthodologie a ensuite été appliquée à un cas industriel : le groupe 5 de la centrale de Z’Mutt, au sein de l’aménagement de Grande Dixence.
Cette pompe-turbine Francis réversible est équipée d’un convertisseur de fréquence pleine puissance permettant une exploitation à vitesse variable. Elle avait déjà fait l’objet d’une importante campagne numérique et expérimentale dans le cadre du projet européen XFLEX Hydro, notamment dans la thèse de Daniel Biner.
Alors que les travaux précédents reposaient sur une succession de points de fonctionnement quasi stationnaires, TIPS cherche cette fois à simuler l’intégralité d’un démarrage en régime transitoire, avec interaction dynamique entre la machine et les conduites.
Première co-simulation complète d’un démarrage de Z’Mutt
Une co-simulation bidirectionnelle 1D–3D–1D a été mise en œuvre : la pompe-turbine est modélisée en CFD, tandis que la conduite amont et le canal aval sont représentés dans SIMSEN. Les conditions hydrauliques aux limites ne sont plus imposées à partir des mesures mais calculées dynamiquement au cours de la simulation.
Les premiers résultats sont très encourageants. Le modèle reproduit correctement les principales grandeurs hydrauliques mesurées lors du démarrage : débit, couple, pression à l’entrée et chute nette, avec des coefficients de Nash supérieurs à 0,95 pour la plupart des variables.
Les pressions mesurées directement sur les aubes de la roue sont également bien reproduites : l’erreur RMSE relative reste inférieure à 7 % sur l’ensemble des points instrumentés pour l’évolution moyenne des charges de pression.
Les fluctuations de plus haute fréquence restent en revanche sous-estimées, ce qui indique encore des améliorations possibles concernant le maillage, le pas de temps et la modélisation de la turbulence.
Vers des outils numériques utilisables pour l’ingénierie
Les résultats obtenus jusqu’ici démontrent la faisabilité d’une approche dans laquelle seules les zones hydrauliquement complexes sont simulées en 3D, tandis que le reste de l’aménagement est représenté par des modèles 1D beaucoup plus légers.
Cette stratégie permet de réduire fortement la complexité numérique par rapport à une modélisation entièrement tridimensionnelle, tout en conservant une précision jugée suffisante pour des analyses d’ingénierie. Elle constitue ainsi une étape importante vers la prédiction fiable des charges transitoires et, à terme, de leur impact sur la durée de vie des composants.
La suite du projet consistera à améliorer encore la robustesse du couplage et à transférer la méthodologie à un second cas d’étude, une turbine Francis testée sur modèle réduit à l’Université Laval. Les résultats serviront ensuite à établir des recommandations et bonnes pratiques pour la simulation 1D–3D des régimes transitoires.
Une collaboration scientifique Suisse–Canada
TIPS associe le Hydro Alps Lab, Hydropower Dynamics Engineering SA et Alpiq AG en Suisse au groupe HEKI de l’Université Laval au Québec. Cette collaboration permet de combiner expertise en simulation hydroacoustique, données issues d’essais grandeur nature et expériences sur modèles réduits.
Un article consacré à la co-simulation des démarrages de la pompe-turbine de Z’Mutt a notamment été accepté pour l’IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems 2026
