FrancisFSI - Turbine Francis auto-adaptative à large plage d'opération efficace // FrancisFSI - Self-adaptive Francis turbine with a wide range of efficient operation

Avec l'intégration croissante des sources d'énergie renouvelables telles que le vent et le soleil dans le réseau électrique, la stabilisation du réseau grâce à l'énergie hydraulique revêt une importance croissante. Les centrales hydroélectriques, en particulier celles équipées de turbines Francis, doivent donc être utilisées de manière plus flexible afin de pouvoir compenser les fluctuations de l'approvisionnement en énergie. Le projet FrancisFSI vise à améliorer la capacité de ces turbines à fonctionner efficacement dans des conditions variables, notamment en cas de cycles de démarrage-arrêt fréquents et d'écarts par rapport au point de conception.
L'énergie hydraulique est une ressource importante pour l'équilibrage du réseau en raison de sa prévisibilité et de sa puissance contrôlable. L'IRENA prévoit une augmentation de 60 % de la capacité hydroélectrique mondiale d'ici 2050. Cela rend les projets tels que FrancisFSI particulièrement importants, notamment dans des régions comme Grenoble, qui sont entourées de centrales hydroélectriques et d'industries hydroélectriques et qui contribuent à la stabilité du réseau énergétique européen.
Cependant, la flexibilité croissante exigée des centrales hydroélectriques représente un défi. Les turbines Francis, qui représentent environ 60 % des centrales hydroélectriques mondiales, sont conçues pour une efficacité maximale à un certain point – jusqu'à 95 % –, mais souffrent d'un fonctionnement en dehors de ce point.
Le fonctionnement en dehors du point de conception entraîne des instabilités telles que la cavitation, les vibrations, les pulsations de pression et le bruit, qui nuisent toutes aux performances de la turbine et réduisent sa durée de vie.
Les solutions actuelles visant à réduire les instabilités de l'écoulement sont plutôt axées sur les symptômes et ne s'attaquent pas à la cause réelle, à savoir le désalignement entre les paramètres de conception de la turbine et les conditions d'écoulement changeantes.
Le projet FrancisFSI propose une approche fondamentalement différente avec des pales de rotor adaptatives. Ces pales changent de forme en réponse aux forces fluctuantes causées par les changements d'écoulement, permettant à la turbine de maintenir des performances optimales dans une large gamme de conditions de fonctionnement. Cette adaptation dynamique améliore l'efficacité, la stabilité et la durabilité.
La conception de ces pales, qui se déforment de manière optimale en temps réel, est un défi. Elle nécessite le développement d'un modèle qui tient compte de différentes conditions de fonctionnement. Le système est complexe, car les forces agissant sur le rotor influencent sa forme, ce qui a à son tour un impact sur l'écoulement. L'écoulement influence à son tour les forces, créant ainsi une boucle de rétroaction qui nécessite une modélisation couplée.
La technologie des pales de rotor adaptatives vise à réduire la cavitation, les vibrations, le bruit et les pulsations de pression, améliorant ainsi l'efficacité et la durée de vie de la turbine. Contrairement aux méthodes conventionnelles, cette solution s'attaque à la cause du désalignement de l'écoulement en adaptant passivement la géométrie des pales en temps réel aux conditions d'écoulement changeantes, assurant ainsi un fonctionnement plus stable et plus efficace.
Le projet comprend plusieurs niveaux de modélisation scientifique : des modèles analytiques pour une conception de base de la roue, des simulations numériques d'écoulement et de structure, ainsi que des simulations FSI couplées dans la phase finale du projet. En outre, un prototype à l'échelle du modèle sera conçu et fabriqué. La caractérisation expérimentale des propriétés de la roue par rapport à une conception classique complète l'étude et fournit une preuve du potentiel réel du projet actuel ainsi qu'une conception pour la construction d'une telle structure de roue auto-adaptative.
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As renewable energy sources such as wind and solar power are increasingly integrated into the electricity grid, stabilising the grid using hydropower is becoming increasingly important. These additional energy sources are intermittent, which makes it more difficult to balance supply and demand in the electricity sector. Hydropower plants, especially those with Francis turbines, must therefore be used more flexibly in order to compensate for fluctuations in the energy supply. The FrancisFSI project aims to improve the ability of these turbines to operate efficiently under changing conditions, including frequent start-stop cycles and deviations from the design point. Hydropower is an important resource for grid balancing due to its predictability and controllable output.
IRENA forecasts a 60% increase in global hydropower capacity by 2050, with a focus on pumped storage to improve grid flexibility. This makes projects such as FrancisFSI particularly important, especially in regions such as Grenoble, which are surrounded by hydropower plants and hydropower industry and which contribute to the stability of the European energy grid.
However, the increasing flexibility required of hydropower plants poses a challenge. Francis turbines, which account for about 60% of the world's hydropower plants, are designed for maximum efficiency at a specific point – up to 95% – but suffer from operating outside this point.
Operation outside the design point leads to instabilities such as cavitation, vibrations, pressure pulsations and noise, all of which impair the turbine's performance and shorten its service life.
Current solutions for reducing flow instabilities tend to be symptom-oriented and do not address the actual cause – the misalignment between the turbine's design and changing flow conditions.
The FrancisFSI project presents a fundamentally different approach with adaptive rotor blades. These blades change their shape in response to fluctuating forces caused by flow changes, allowing the turbine to maintain optimal performance under a variety of operating conditions. This dynamic adaptation improves efficiency, stability and durability.
Designing these blades, which deform optimally in real time, is a challenge. It requires the development of a model that takes into account various operating conditions. The system is complex because the forces acting on the rotor affect its shape, which in turn affects the flow. The flow, in turn, affects the forces, creating a feedback loop that requires coupled modelling.
Adaptive rotor blade technology aims to reduce cavitation, vibration, noise and pressure pulsations, thereby improving the efficiency and service life of the turbine. Unlike conventional methods, this solution combats the cause of flow misalignment by passively adapting the blade geometry in real time to changing flow conditions, ensuring more stable and efficient operation.
The project involves several levels of scientific modelling: analytical models for a basic impeller design, numerical flow and structural simulations, and coupled FSI simulations in the final phase of the project. In addition, a prototype will be designed and manufactured on a model scale. Experimental characterisation of the impeller properties in comparison with a classic design will complement the study and provide evidence of the real potential of the present project, as well as a design for the construction of such a self-adaptive impeller structure.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

- Très bonnes compétences en mécanique, tant des solides que des fluides (obligatoire) - Bonnes connaissances en CAO, FEA et CFD (obligatoire), Ansys, Calculix, OpenFOAM (un plus) - Bonnes compétences en codage : Python (obligatoire), C++ (un plus) - Connaissances avérées en machines hydrauliques (obligatoire) avec un accent sur les turbines Francis (un plus) - Connaissances avérées en interactions fluide-structure (obligatoire) - Bonnes compétences en techniques expérimentales et de mesure (obligatoire) - Connaissances en fabrication additive et prototypage rapide ainsi qu'en moulage silicone (un plus)
- Very good skills in mechanics, both solids and fluids (mandatory) - Good knowledge in CAD, FEA and CFD (mandatory), Ansys, Calculix, OpenFOAM (a plus) - Good coding skills: Python (mandatory), C++ (a plus) - Proven knowledge in hydraulic machinery (mandatory) with focus on Francis turbines (a plus) - Proven knowledge in Fluid structure interactions (mandatory) - Good skills in experimental and measurement techniques (mandatory) - Knowledge in additive manufacturing and rapid prototyping as well as silicone moulding (a plus)