Etude de colmatage de prises d'eau ichtyocompatibles de centrales hydroélectriques : influences des conditions d'écoulement

Abstract

Thèse CIFRE - France Hydro Electricité Référents : Cécile Bellot et Xavier CasiotSmall and medium-size hydroelectric power plants, which are an essential part of the energy mix, have been enhanced to minimize their impact on the ecological continuity of rivers. Fish-friendly water intakes, particularly inclined bar racks with narrow bar spacings and bypasses at the water surface, facilitate the downstream migration of fishes. However, the evolution of these protection systems has introduced operational challenges. During the fall season, these systems are particularly prone to clogging due to the accumulation of leaves and other debris, leading to significant production losses and increased operational constraints. The objective of this thesis is to better understand and quantify the effects of clogging on inclined narrow bar racks during the leaf-fall period and to provide key insights for improving the management of this natural phenomenon.An experimental study was conducted in a free-surface hydraulic channel to predict the effects of clogging on head losses using artificial materials to simulate natural clogging. These experiments were complemented by field measurements on inclined bar racks subjected to natural and artificial clogging. They facilitate the correlation of laboratory results with those obtained from production sites. The experiments highlighted the negative impact of clogging on head losses, which increased with the obstruction ratio, whether the clogging was homogeneous or partial. The rapid evolution of head losses with increasing clogging has underscored the necessity of implementing automatic cleaning procedures before reaching critical clogging thresholds. A predictive model for head losses induced by clogging was developed based on laboratory experiments and validated through field measurements. Additionally, a numerical study was performed using CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations to optimize the water intake protection system (bar form and bypasses). Regarding the bar rack system, an optimization of bar form was performed with a genetic algorithm, considering mechanical and design constraints, resulting in a set of new bar profiles that minimize head losses. These profiles were then validated through experimental testing using a pressurized duct and an open channel flow. Finally, the numerical parametric study of the flow on bypass design revealed insights into existing solutions and led to the development of optimized design recommendations to ensure optimum flow distribution between each bypass.This thesis has increased our understanding of clogging on inclined narrow bar racks, enabling the prediction of its impact on power hydroelectric station performance and contributing to operational improvements. New recommendations have been proposed to assist operators in designing protection systems that integrate inclined bar racks and surface bypasses.Les centrales hydroélectriques de petite et moyenne tailles, part essentielle du mix énergétique, ont fait l’objet d’améliorations pour limiter leur impact sur la continuité écologique dans les rivières. Les prises d’eau ichtyocompatibles, notamment les grilles fines inclinées équipées d’exutoires en surface, permettent de faciliter la dévalaison des poissons. Cependant, l’évolution de ces systèmes de protection a engendré des difficultés d’exploitation avec l’accumulation importante de feuilles et de petits débris en période automnale, entraînant des pertes de production significatives et des contraintes opérationnelles accrues. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre et quantifier l’effet du colmatage sur les grilles inclinées de faible espacement entre les barreaux en période de chute de feuilles, afin de fournir des éléments d’amélioration pour la gestion de ce phénomène naturel.Une étude expérimentale a été menée dans un canal à surface libre pour prédire les effets du colmatage sur la perte de charge, en utilisant des surfaces artificielles simulant un colmatage naturel. Ces essais ont été complétés par des mesures de terrain sur des grilles colmatées naturellement et artificiellement. Ils permettent de corréler les résultats obtenus en laboratoire avec ceux des sites de production. Les essais ont mis en évidence l’impact négatif du colmatage sur la perte de charge en fonction du taux d’obstruction des grilles, qu’il soit sur une partie ou sur la totalité de la surface de la grille. La progression rapide des pertes de charge en fonction de l’augmentation du colmatage souligne l’importance d’opérer un nettoyage automatique des grilles avant d’atteindre un seuil critique de colmatage. Un modèle prédictif des pertes de charge induites par le colmatage a été développé à partir des essais réalisés en laboratoire et validé par les mesures de terrain. Par ailleurs, une étude numérique a été réalisée grâce à des simulations d’écoulements (CFD : Computational Fluid Dynamics) pour optimiser le système de prise d’eau (barreaux de la grille et exutoires). Concernant le système de grille, une optimisation de la forme des barreaux de grille à partir d’un algorithme génétique, prenant en compte les contraintes mécaniques et de dimensionnement, a permis de définir un ensemble de nouveaux profils réduisant les pertes de charge. Ces profils ont finalement été validés par des essais expérimentaux dans une veine en charge et dans un canal à surface libre. Enfin, une étude paramétrique numérique d’écoulements pour différentes formes d’exutoires et de goulottes de dévalaison a permis l’analyse des solutions existantes et de proposer des recommandations de dimensionnement pour obtenir une répartition optimale des débits entre les exutoires.Ces travaux de thèse ont ainsi permis de mieux comprendre la problématique du colmatage des grilles inclinées à faible espacement, de prédire son effet sur la production d’énergie des centrales hydroélectriques, et d’ouvrir la voie à des améliorations opérationnelles. De nouvelles recommandations de dimensionnement ont été formulées pour accompagner les exploitants dans la conception de systèmes de protection intégrant des grilles inclinées et des exutoires en surface