Obtenir et maintenir de bonnes conditions de vie pour la flore et la faune aquatiques demande que les cours d’eau contiennent un taux d’oxygène suffisant. Un enjeu environnemental crucial dans lequel l’hydroélectricité a un rôle à jouer, grâce au fonctionnement des turbines, notamment, qui permet d’introduire de l’oxygène dans l’eau. La nouvelle Chaire de recherche industrielle CRSNG-General Electric en écoulements diphasiques, dirigée par le Pr Stéphane Étienne, étudie les façons les plus efficaces d’y parvenir.

 Petites bulles, gros enjeux

« L’une des priorités de General Electric (GE) est de garantir les performances à la fois techniques et environnementales de ses produits. C’est pourquoi l’entreprise, qui fournit une grande partie du parc de turbines d’Hydro-Québec, s’est intéressée aux travaux de notre Chaire sur l’oxygène dissous et s’y est associée », explique le Pr Stéphane Étienne. L’objectif est double  : d’une part, augmenter le niveau d’oxygène dissous dans l’eau pour atteindre et même dépasser les normes établies par la législation; d’autre part maximiser le rapport entre la quantité d’air dissous et la quantité d’air injecté, car le rendement de la turbine diminue en fonction de la quantité d’air injecté. « Les basses pressions proches de la turbine permettent une aération naturelle. L’injection d’air permet également d’atténuer les fluctuations de pression. Plutôt que d’installer des compresseurs onéreux et peu efficaces, GE souhaite que l’air soit injecté directement par les turbines. L’enjeu est d’obtenir que l’air se dissolve dans l’eau et ne "s’échappe" pas à la surface. Pour cela, les bulles d’air doivent être les plus petites possibles. L’eau rejetée par le barrage sera alors de meilleure qualité », mentionne le Pr Étienne.

Défis des écoulements diphasiques

Le programme de la Chaire comprend un volet expérimental et un volet numé rique. « Nous voulons améliorer les connaissances sur les écoulements diphasiques pour pouvoir modéliser ces écoulements d’une façon plus précise qu’avec les modèles numériques actuels. Comme les turbines sont conçues en fonction des lieux où elles sont installées, chaque turbine est un prototype. Il faut d’abord la concevoir grâce aux outils numériques, puis la valider à échelle réduite avant son installation. GE a donc besoin de s’appuyer sur des outils de conception numérique fiables, ainsi que sur un protocole de validation expérimentale robuste pour reproduire ensuite, à échelle réduite, les phénomènes diphasiques de la façon la plus juste », indique Cédric Béguin, associé de recherche et membre de la Chaire.

Équipements à grande échelle pour expériences réalistes

La Chaire aura un laboratoire unique en Amérique du Nord, qui pourra reproduire les conditions de vitesse et de pression rencontrée au niveau des turbines. « Notre laboratoire sera équipé d’une boucle diphasique à pression contrôlée, avec laquelle nous pourrons vérifier la fiabilité de nos modèles et établir les lois de comportement en écoulement diphasique », se réjouit le Pr Étienne. « Les travaux menés par la Chaire permettront à GE d’offrir à ses clients des turbines présentant d’excellentes performances techniques et environnementales. De cette façon, GE renforcera son leadership international en technologie durable », déclare M. Pierre Marx, directeur général des activités Hydro de GE Renewable Energy en Amérique du Nord.