Estimating singular pressure losses for multi-stage obstacles in pressurized hydraulic ducts is a challenging task. An experimental study was conducted in a closed-loop hydrodynamic tunnel to characterize the pressure losses of a system consisting of a porous fibrous foam placed in front of a bar rack. The pressure losses of different foam–rack configurations were measured over a range of inlet velocities in order to highlight the mutual influence of their characteristics on the flow. The interdependence between the two stages has been evidenced by both the experimental results and additional numerical simulations using RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes Equations) simulations with a k-$\omega$ SST turbulent closure model. The pressure losses were first modeled using two approaches based on the assumption of either independence or full dependence between the stages. The respective advantages and limitations of these approaches led to an improved analytical formula that considers the transition of the flow from the porous foam to the bar rack. By taking into account an empirical transition factor, the proposed model improves the head loss prediction for all tested configurations, with an average relative error between the formula and experimental results less than that of the two simpler approaches. This study improves our understanding of global pressure losses in multi-stage systems that include a porous foam or other filtering or clogging media in front of bar racks.

To mitigate the impact of hydroelectric power plants on downstream fish migration, fish-friendly intakes, combining a low bar spacing rack and several bypasses, are implemented. There are still sites that can be improved thanks to a better bypass design. For this purpose, Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a useful tool, even if such devices are still uncommon. This paper investigates the use of a 3D model based on the Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) equation for a single phase to simulate the flow in a real-scale water intake equipped with an inclined bar rack and three surface bypasses. The results of numerical simulations are compared to in situ measurements of flow velocities at four cross-sections along the rack, gauging the discharge flowing into the bypasses. The simulated velocities are in accordance with the velocities measured in situ, with a mean square error for the longitudinal velocity ($v_x$) of 0.034 (m²/s²) for the initial simulation and 0.021 (m²/s²) for the improved simulation. The split of the total bypass discharge between the three bypass entrances was satisfyingly predicted by the simulation with the true inlet velocity condition, showing the significant influence of upstream flow non-uniformity.

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.

Run-of-river hydroelectric power stations are a significant source of flexible hydroelectricity production. They are continuously upgraded to enhance efficiency and ensure ecological continuity in rivers. However, the implementation of inclined bar-racks with narrow bar spacing within downstream fish protection systems has been identified as an obstruction at the water intake, causing production losses. Therefore, optimizing this system to minimize its impact on power generation represents a crucial area of study. This paper presents a work on optimizing bar profiles to minimize losses while ensuring mechanical properties. Two parameterized profiles were developed to ensure feasible bar shapes. The optimization was achieved by implementing genetic algorithms, complemented by geometric and mechanical constraints, with the objective to minimize head loss and drag coefficients using two-dimensional (2D) computational fluid dynamics (CFD) simulations. The optimized profiles demonstrated favorable form coefficients and generate low head losses, with a reduction greater than 3.9 for head losses and 4.9 for drag coefficient compared with the classical rectangular profile, depending on the optimized profile considered. These profiles demonstrate improved adaptability to various spacer configurations and better resistance to clogging issues compared with conventional profiles. These profiles offer new shapes that are not typically used for these types of applications. One of the optimized shapes was validated using laboratory measurements in a free-surface hydrodynamic flume, and it was finally compared with other common bar profiles that have already been designed to present low head losses. The selected shape exhibited improved performance compared with the others, with a reduction in the bar-form coefficient exceeding 7% compared with the tadpole profile. The various optimized profiles, better adapted to the spacer technology and designed to prevent pebble clogging issues, will offer alternative possibilities for future installations with the objective of minimizing production losses.