Étude expérimentale et numérique des performances d’une vis d’Archimède innovante dans la récupération d’énergie hydraulique

Étude expérimentale et numérique des
performances d’une vis d’Archimède innovante
dans la récupération d’énergie hydraulique
Soutenance de Projet de Fin D’Études
Louan MARZIAC
GM5 - INSA Strasbourg - Master PAIP MNA
9 septembre 2021
Membres du jury : François GEISKOPF Président de jury
Sébastein POLI Coordinateur Génie Mécanique
Mathieu SOLAR Professeur tuteur INSA Strasbourg
Guilhem DELLINGER Tuteur Industriel IMFS

Introduction
Étude expérimentale de la vis Helliogreen
Étude numérique de la vis Helliogreen
Conclusion d’étude / Mise en perspective
Bibliographie
Sommaire
1 Introduction
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
2 Étude expérimentale de la vis Helliogreen
Caractéristiques géométriques de la vis Helliogreen
Définition du CdCF
CAO du banc d’essai de la vis sur Creo Parametric
Commande du matériel auprès des fournisseurs
Installation du pilote expérimental à l’IMFS, Rue Boussingault
3 Étude numérique de la vis Helliogreen
Présentation du logiciel de simulation OpenFOAM
Modélisation numérique du cas d’étude de la vis d’Archimède
4 Conclusion d’étude / Mise en perspective
5 Bibliographie
Louan MARZIAC Étude expérimentale et numérique de la vis Helliogreen 2 / 52

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Sommaire
1 Introduction
5 Bibliographie

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Sommaire
1 Introduction
Contexte d’étude
Objectifs du PFE

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Laboratoire iCube - Département de Mécanique
Source : www.archi-wiki.org/
Figure 1 – Vue du bâtiment du 2
Rue Boussingault, 67000
Strasbourg
Source : www.archi-wiki.org
Figure 2 – Vue du bâtiment du 2
Rue Boussingault, 67000
Strasbourg

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
HELLIOGREEN Technologies
Source : https://blog.
ardennes-developpement.com
Figure 3 – Présentation du
démonstrateur de turbine par
Renaud MIGNOLET, PDG de
HELLIOGREEN Technologies
Source : www.3dmetalindustrie.com
Figure 4 – Imprimante 3D de 3D
Métal Industrie pour la réalisation
de moules en sable

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Contexte d’étude
Mise eau point d’une turbine à vis d’Archimède innovante par l’entreprise
Helliogreen

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Contexte d’étude
Helliogreen
Géométrie de la turbine modifiée pour maximiser l’absorption du débit
d’entrée pour un diamètre & une vitesse de rotation constante

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Contexte d’étude
Helliogreen
Turbine théoriquement capable d’absorber un plus grand débit qu’une vis
classique mais crainte pour le rendement hydraulique

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Contexte d’étude
Helliogreen
Turbine théoriquement capable d’absorber un plus grand débit qu’une vis
classique mais crainte pour le rendement hydraulique
Mission :
Étudier de manière expérimentale et numérique les performances
d’une vis d’Archimède innovante pour la récupération d’énergie
hydraulique pour l’entreprise Helliogreen

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Sommaire
1 Introduction
Contexte d’étude
Objectifs du PFE

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Objectifs du PFE

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Objectifs du PFE
Concevoir et installer un banc d’essai pour la vis d’Archimède Helliogreen
pour des caractéristiques hydrauliques (débit, hauteur de chute,
immersion, etc.) et géométriques (nombre de filets, pas de vis, etc.)
variées

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Objectifs du PFE
variées
Réaliser des essais expérimentaux sur le banc d’essai

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Objectifs du PFE
variées
Définir un modèle numérique 3D permettant de simuler les écoulements
au sein de la vis Helliogreen, en vue d’en déterminer les performances
hydrauliques (code de calcul CFD réalisé sous OpenFOAM)

Introduction
Bibliographie
Contexte d’étude
Objectifs du PFE
Objectifs du PFE
variées
Définir un modèle numérique 3D permettant de simuler les écoulements
au sein de la vis Helliogreen, en vue d’en déterminer les performances
hydrauliques (code de calcul CFD réalisé sous OpenFOAM)
Valider le modèle numérique à l’aide des résultats expérimentaux obtenus
sur le banc d’essai

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Sommaire
1 Introduction
5 Bibliographie

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Sommaire
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Modules de vis assemblés
Figure 5 – Aperçu d’un modèle de vis d’Archimède de Helliogreen

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Figure 6 – Vue CAO d’un module
de la vis Helliogreen

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Figure 6 – Vue CAO d’un module
de la vis Helliogreen
Figure 7 – Poches d’eau au sein
d’un module élémentaire

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Visualisation du sens de parcours du fluide à travers la vis

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Sommaire
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Fonctions de service et
de contraintes
Critères Niveaux Flex.
Remarques
FS1
Régler les paramètres de
fonctionnement de la vis
Débit Q Q = 0.7 → 7L/s
Les valeurs de hin et hout
seront variables, afin
d’étudier l’influence
d’un sous-remplissage
ou sur-remplissage
Diamètre de la vis Da Da = 200 mm
Longueur de la vis L L = 1120 mm
Niveau amont hin hin = 125 mm
Niveau aval hout hout = 168 mm
Vitesse de rotation de la
vis n
n = 60 → 150 tr/min
FS2
Fournir des informations
sur le fonctionnement de
la vis
Puissance sortie de vis Pv
Couple vis Cv
Pv = 30 W
Cv = 2.2 N · m
FS3
Enregistrer les informa-
tions sur le fonctionne-
ment de la vis
Enregistrement de : Q,
N, Pv , Cv , hin, hout
Q variable
n variable
FS4
Transmettre les informa-
tions à HELLIOGREEN
Q, N, Pv, Cv, hin, hout Tableaux et courbes
FS5
Absorber l’énergie pro-
duite par la vis
Pv 30 W

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Fonctions de service et
de contraintes
Critères Niveaux Flex. Remarques
C1 Supporter la vis
Poids
Vibration
Encombrement
L’étude du phénomène
vibratoire a pour objectif
d’être poursuivie dans le
cadre d’une thèse CIFRE
avec iCube et Hellio-
green
C2 Alimenter la vis en eau
Plage de débit de la
pompe Q
Jusqu’à
100 L/s (360 m3
/h)
Convoyage du fluide par
pompe centrifuge dispo-
nible à l’INSA Stras-
bourg
C3 Recevoir la vis Encombrement
Plans
CAO du banc d’essai réa-
lisée à iCube sur Creo
Parametric
C4 Alimenter les accessoires 220 V
16 A
C5
Maîtriser les paramètres
d’ambiance
Température
Humidité

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Sommaire
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Premières idées de conception du banc d’essai vis
Helliogreen
Détails du schéma
Réflexion sur l’intégration de
la vis Helliogreen au sein du
banc d’essai
Vis
Helliogreen
Pompe volumétrique
Débitmètre
magné�que
Cadre support -
structure en
proﬁlés
Rapporteur
numérique
… m³/s
Capteur ultrasons
… m
… °
… V
… A
Moteur
électrique
Capteur
ultrasons
… m
Système de réduc�on de
couple (mul�plica�on de
la vitesse angulaire)
Guidage en
rota�on (x2)
Seuil d’ajustement du
niveau d’eau aval
Goulo�e
d’alimenta�on
Palier à
roulement

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Helliogreen
Détails du schéma
banc d’essai
Réflexion autour de
l’agencement des composants
du banc
Vis
Helliogreen
Pompe volumétrique
Débitmètre
magné�que
Cadre support -
structure en
proﬁlés
Rapporteur
numérique
… m³/s
Capteur ultrasons
… m
… °
… V
… A
Moteur
électrique
Capteur
ultrasons
… m
Guidage en
rota�on (x2)
niveau d’eau aval
Goulo�e
d’alimenta�on
Palier à
roulement

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Helliogreen
Détails du schéma
banc d’essai
Réflexion autour de
l’agencement des composants
du banc
Mise en évidence des
capteurs envisagés pour
l’acquisition des données
Vis
Helliogreen
Pompe volumétrique
Débitmètre
magné�que
Cadre support -
structure en
proﬁlés
Rapporteur
numérique
… m³/s
Capteur ultrasons
… m
… °
… V
… A
Moteur
électrique
Capteur
ultrasons
… m
Guidage en
rota�on (x2)
niveau d’eau aval
Goulo�e
d’alimenta�on
Palier à
roulement

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Structure du banc d’essai
Squelette de conception

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Bâti support de la vis Helliogreen - Profilés Minitec
Utilisation de l’option Creo Advanced Framework

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
1
5
2
8
10
7
6
3
4
Vis Helliogreen
Seuil ajustable
Bac aval Débitmètre
magnétique
Vanne à
membrane
Conduite
hydraulique
Pompe
centrifuge
Bac amont
Structure profilés
9
Système de transmission
de puissance

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Nomenclature des composants du banc d’essai
1 : Guidage_bas
2 : Palier_p_204_plcs
3 : Goulotte_alimentation
4 : Entree_vis_200_22
5 : Vis200_22 (x13)
6 : arbre_vis_sup
7 : Tube_vs_200_22_moteur
8 : Vis_200_22_bandage

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Sommaire
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Composants directement rattachés à la vis Helliogreen
HELLIOGREEN 200
N° Référence Nb Commentaire état date Livraison Stockage
Guidage bas 1 Sous ensemble
1 palier_p_204_plcs 1 arrivé Helliogreen
vis assemble 1 Sous ensemble
2 goulotte alim200 1 Impression 3D en attente d’impression
3 a9-84l050 1 Usinée arrivé
4 a9-10l050f 1 Usinée arrivé
5 Courroie L112 1 arrivé
19 Rondelle 20-36-3 4 arrivé Helliogreen
20 Rondelle 10-36-3 1 arrivé Helliogreen
21 vis_h_m10-30 1 arrivé Helliogreen
22 Clavette 6x6x500 1 en attente de livraison Distrilab

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Composants interne à la vis Helliogreen
VIS ASSEMBLE
N° Référence Nb Commentaire état date Livraison Stockage
10 Vis200_22 12 Moulée et usinée en attente de fin de moulage/usinage
11 Vis200_22 Haut 1 Moulée et usinée en attente de fin de moulage/usinage
12 Entree vis 200_22 1 Moulée et usinée en attente de fin de moulage/usinage
13 Tube vis 200_22 moteur 1 Plan ou 3D en attente d’usinage
14 Arbre vis sup 200_22 1 Plan ou 3D en attente d’usinage
15 Vis 200_22 bandage 1 Moulée et usinée en attente de fin de moulage/usinage
16 1
17 Vis HM 4-20 252 arrivé / Helliogreen
18 Ecrou HM4 252 arrivé / Helliogreen

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Exemple d’organisation d’une fiche fournisseur

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Sommaire
Définition du CdCF

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Organes hydrauliques utilisés pour le pilote vis Helliogreen
(a) Pompe centrifuge (b) Débitmètre magnétique
(c) Conduites pour la veine hydraulique (d) Vanne à membrane

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Aperçu du banc d’essai en cours d’installation à iCube

Introduction
Bibliographie
Définition du CdCF
Capteur de couple / vitesse de rotation : moteur à courant
continu

Introduction
Bibliographie
Sommaire
1 Introduction
5 Bibliographie

Introduction
Bibliographie
Sommaire

Introduction
Bibliographie
St r uct ur e
OpenFOAM
Pr é- t r ai t em
ent
Résol ut i on
Post - t r ai t em
ent
- Out i l s de
m
ai l l age :
- bl ockM
esh
- snappyHexM
esh
- Ut i l i t ai r es
Sol veur s :
- Com
bust i on
- Écoul em
ent
com
pr essi bl e &
i ncom
pr essi bl e
- Tr ansf er t
t her m
i que
- Écoul em
ent
m
ul t i phasi que
- Par aVi ew
- Expor t at i on des
r ésul t at s ver s
d' aut r es l ogi ci el s
de post - t r ai t em
ent
( St ar - CCM
+, Fl uent )
Figure 9 – Structure du logiciel
OpenFOAM
<case>
syst em
const ant
t i
cont r ol Di ct
f vSchem
es
f vSol ut i on
t r anspor t Pr oper t i es
poi nt s
f aces
owner
nei ghbour
boundar y
pol yM
esh
Possi bi l i t é de
m
odi f i cat i ons des
par am
èt r es du pr obl èm
e
Val eur s const ant es
dur ant l e cal cul
Résul t at s ( 1 r éper t oi r e
par pas de t em
ps de
cal cul
Pr opr i ét és du f l ui de
Pr opr i ét és de m
ai l l age
Par am
èt r es de cont r ôl e
( début / f i n de cal cul , pas de
t em
ps, données de sor t i e)
Schém
a de di scr ét i sat i on
Par am
èt r es et choi x de
sol ver pour l a si m
ul at i on
0
CI + CL
t ur bul encePr oper t i es Par am
èt r es du m
odèl e
RASPr oper t i es M
odèl es de t ur bul ence
Figure 10 – Structure de fichiers
dans un cas d’étude OpenFOAM

Introduction
Bibliographie
Sommaire

Introduction
Bibliographie
Définition du maillage du cas d’étude
Feuille Excel des paramètres d’entrée pour OpenFOAM

Introduction
Bibliographie
Feuille Excel de définition des sommets (vertices) pour OpenFOAM

Introduction
Bibliographie
Feuille Excel de définition des blocs (blocks) pour OpenFOAM

Introduction
Bibliographie
Feuille Excel de définition des arêtes (edges) pour OpenFOAM

Introduction
Bibliographie
Maillage du domaine d’étude avec blockMesh

Introduction
Bibliographie
Importation CAO vis Helliogreen avec snappyHexMesh

Introduction
Bibliographie
Sommaire
1 Introduction
5 Bibliographie

Introduction
Bibliographie
Mise en application des connaissances en ingénierie conception /
dimensionnement pour la mise en place d’un banc d’essai de turbine

Introduction
Bibliographie
Apprentissage en gestion de devis / commande de matériel auprès de
fournisseurs

Introduction
Bibliographie
fournisseurs
Découverte d’un nouveau logiciel de simulation numérique OpenFOAM

Introduction
Bibliographie
fournisseurs
Découverte du domaine de la recherche appliquée en ingénierie mécanique

Introduction
Bibliographie
fournisseurs
Découverte du domaine de la recherche appliquée en ingénierie mécanique
Merci pour votre écoute

Introduction
Bibliographie
Sommaire
1 Introduction
5 Bibliographie

Introduction
Bibliographie
Bibliographie I
F. Casasola, Thomas Weisser, R. Dupuis, Evelyne Aubry, and David
Vermelle.
Etude de l’efficacité mécanique d’une vis hydrodynamique.
2015.
Guilhem Dellinger.
Etude expérimentale et optimisation des performances hydrauliques
des vis d’Archimède utilisées dans les micro centrales
hydroélectriques.
Theses, Université de Strasbourg, December 2015.
Guilhem Dellinger and Matthieu DUFRESNE.
Etude expérimentale et numérique de la vis d’Archimède utilisée en
tant que turbine.
In 22ème Congrès Français de Mécanique , Lyon, France, August
2015. Association Française de Mécanique (AFM).

Introduction
Bibliographie
Bibliographie II
Guilhem Dellinger, Pierre-André Garambois, Nicolas Dellinger,
Matthieu Dufresne, Abdelali Terfous, Jose Vazquez, and Abdellah
Ghenaim.
Computational fluid dynamics modeling for the design of Archimedes
Screw Generator.
Renewable Energy, 118(C) :847–857, 2018.
Guilhem Dellinger, Scott Simmons, William David Lubitz,
Pierre-André Garambois, and Nicolas Dellinger.
Effect of slope and number of blades on archimedes screw generator
power output.
Renewable Energy, 136 :896–908, 2019.

Introduction
Bibliographie
Bibliographie III
Guilhem Dellinger, Abdelali Terfous, Pierre-andre Garambois, and
Abdallah Ghenaim.
Experimental investigation and performance analysis of Archimedes
screw generator.
Journal of Hydraulic Research, 54(2) :197–209, 2016.
Guilhem Dellinger, Abdelali Terfous, Abdellah Ghenaim, and
Pierre-André Garambois.
Optimisation d’une vis d’Archimède pour la production d’énergie
dans les microcentrales hydroélectriques.
In Rencontres Universitaires de Génie Civil, Bayonne, France, May
2015.

Introduction
Bibliographie
Bibliographie IV
Erinofiardi, Agus Nuramal, Putra Bismantolo, Abhijit Date, Aliakbar
Akbarzadeh, Afdhal Kurniawan Mainil, and Ahmad Fauzan Suryono.
Experimental study of screw turbine performance based on different
angle of inclination.
Energy Procedia, 110 :8–13, 2017.
1st International Conference on Energy and Power, ICEP2016, 14-16
December 2016, RMIT University, Melbourne, Australia.
Andrew Kozyn.
Power Loss Model for Archimedes Screw Turbines.
PhD thesis, University of Guelph, April 2016.
Julien Rohmer, Dominique Knittel, Guy Sturtzer, Damien Flieller,
and Jean Renaud.
Modeling and experimental results of an Archimedes screw turbine.
Renewable Energy, 94(C) :136–146, 2016.

Introduction
Bibliographie
Bibliographie V
Scott Simmons.
A Computational Fluid Dynamic Analysis of Archimedes Screw
Generators.
PhD thesis, 08 2018.
Jerry L. Straalsund, Samuel F. Harding, Dirk M. Nuernbergk, and
Chris Rorres.
Experimental evaluation of advanced archimedes hydrodynamic
screw geometries.
Journal of Hydraulic Engineering, 144(8) :04018052, 2018.

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