608532 - hyperbole - deliverable d4 documents/deliverables... · 2020. 7. 22. ·...

43
Deliverable Project number 608532 Project title HYPERBOLE HYdropower plants PERformance and flexiBle Operation towards Lean integration of new renewable Energies Call (part) identifier FP7‐ENERGY‐2013‐1 Funding scheme Collaborative project Date February 23, 2017 Partner Author P1 – Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne P6 – Power Vision Engineering Sàrl Name e‐mail Arthur Favrel [email protected] Joao Gomes Pereira Junior [email protected] Christian Landry Christian.landry@powervision‐eng.ch Sébastien Alligné Sebastien.alligne@powervision‐eng.ch Christophe Nicolet Christophe.nicolet@powervision‐eng.ch François Avellan [email protected] Deliverable Number Deliverable 4.4

Upload: others

Post on 05-Aug-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

Deliverable     Project number 608532  

Project title HYPERBOLE  ‐  HYdropower  plants  PERformance  and  flexiBle Operation towards  Lean integration of new  renewable Energies 

 Call (part) identifier FP7‐ENERGY‐2013‐1  

Funding scheme Collaborative project  

Date February 23, 2017  

Partner Author P1 – Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne P6 – Power Vision Engineering Sàrl 

Name  e‐mail 

Arthur Favrel  [email protected] 

Joao Gomes Pereira Junior  [email protected] 

Christian Landry  Christian.landry@powervision‐eng.ch 

Sébastien Alligné  Sebastien.alligne@powervision‐eng.ch 

Christophe Nicolet  Christophe.nicolet@powervision‐eng.ch 

François Avellan  [email protected] 

 

Deliverable Number Deliverable 4.4  

   

Page 2: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 2/43 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This page is intentionally left blank 

 

   

Page 3: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 3/43 

Report describing the hydro‐acoustic model of power plant unit and validation 

of the hydro‐acoustic parameters transposition by comparison with experimental results from WP5 

 

Content  

1  Introduction ....................................................................................................................................... 5 

2  One‐dimensional modelling of the hydropower plant unit at off‐design conditions ....................... 6 

2.1  One‐dimensional SIMSEN model of the hydropower plant unit ............................................... 6 

2.2  Modelling of the cavitation vortex rope in the draft tube ........................................................ 6 

2.3  Validation of 1D SIMSEN model of the hydropower plant unit by transient simulations ......... 7 

3  Description of hydropower plant on‐site measurements and main results ................................... 10 

3.1  Investigated operating points .................................................................................................. 10 

3.2  Precession and natural frequencies at part load conditions ................................................... 10 

3.3  Resonance at part load conditions .......................................................................................... 11 

3.4  Instability at full load conditions ............................................................................................. 12 

4  Transposition of the hydro‐acoustics parameters and resonance prediction at part load conditions

  13 

4.1  Part load resonance prediction based on the swirl number at the model scale..................... 13 

4.1.1  Determination of the vortex precession frequency frope and the natural frequency f0 ... 13 

4.1.2  Resonance conditions ...................................................................................................... 13 

4.1.3  Swirl number ................................................................................................................... 15 

4.1.4  Empirical laws for prediction of frope and f0  at the model scale ...................................... 15 

4.1.5  Determination of the wave speed and bulk viscosity at the model scale ....................... 16 

4.2  Part load resonance prediction at the prototype scale ........................................................... 20 

4.2.1  Transposition of the wave speed and the bulk viscosity ................................................. 20 

4.2.2  Natural frequency of the prototype ................................................................................ 21 

4.2.3  Precession frequency of the vortex on the prototype .................................................... 21 

Page 4: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 4/43 

4.2.4  Prediction of the resonance conditions on the prototype and comparison with on‐site 

measurements ................................................................................................................................. 22 

4.3  Part load resonance prediction based on similitude of local cavitation factor ....................... 24 

4.3.1  Discrepancy of local cavitation factor between model and prototype ........................... 24 

4.3.2  Wave speed as a function of the swirl number and the local cavitation coefficient ...... 25 

4.3.3  Dimensionless wave speed as a function of the swirl number and the local cavitation 

coefficient ........................................................................................................................................ 26 

4.3.4  Determination of the wave speed corresponding to the conditions during on‐site tests

  27 

4.3.5  Update of the predicted natural frequency and resonance conditions at the prototype 

scale  28 

4.4  Prediction of pressure fluctuations amplitude at part load conditions on the prototype ...... 29 

4.4.1  Determination of the pressure excitation source at the model scale ............................. 29 

4.4.2  Simulation in the time domain at the prototype scale .................................................... 31 

5  Transposition of the hydro‐acoustics parameters and prediction of the instability at full load ..... 35 

5.1  Limits of stability at full load at the model scale and comparison with on‐site measurements

  35 

5.2  Empirical law for prediction of finst. at the model scale ........................................................... 36 

5.3  Determination of the hydro‐acoustic parameters at the model scale .................................... 37 

5.4  Transposition of the hydro‐acoustic parameters at the prototype scale................................ 38 

5.5  Prediction of instability frequency at full load and comparison with on‐site measurements 39 

6  Conclusions ...................................................................................................................................... 40 

6.1  Potential impacts of the presented results ............................................................................. 41 

7  References ....................................................................................................................................... 43 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 5: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 5/43 

1 Introduction Hydraulic  machines  operating  at  off‐design  operation  are  subject  to  the  development  of  hydraulic 

instabilities involving the presence of cavitation flow in the draft tube and the propagation of pressure 

pulsations through the hydraulic circuit. At part load conditions, the cavitation vortex rope is described 

as an excitation source for the hydraulic system and the interaction between this excitation source and 

the eigenfrequencies of the system may result in resonance phenomena and induce draft tube surge 

and electrical power swings. At full load conditions, the axisymmetric cavitation vortex rope can enter 

self‐oscillation and is described as an internal source of energy, resulting in the propagation of pressure 

fluctuations of high amplitude. 

Experimental  tests are commonly performed on  reduced scale physical models enabling  the perfect 

prediction of the hydraulic behaviour of the machine in terms of efficiency and cavitation. Although both 

geometric and kinematic similarities between model and prototype scales are fulfilled according to IEC 

Standards, the amplitude of the pressure fluctuations experienced by the hydraulic circuit in off‐design 

conditions cannot be directly transposed to the prototype. Indeed, the eigenfrequencies of the system 

depend on both the cavitation volume within the vortex core and the characteristics of the hydraulic 

circuit. Therefore, the  interaction on the prototype between the excitation source and the hydraulic 

circuit is different to the one observed during model testing. 

The methodology developed in the framework of the HYPERBOLE project for the prediction of pressure 

fluctuations is based on the one‐dimensional modelling of the hydraulic circuit and the identification of 

hydro‐acoustic parameters describing the cavitation flow at the model scale. The transposition of these 

hydro‐acoustic parameters from the model scale to the prototype scale is the last step for the prediction 

of the pressure fluctuations on the real machine. 

This deliverable  reports  the  transposition of  the hydro‐acoustic parameters modelling  the cavitation 

draft tube flow at both part load and full load conditions and its validation by comparisons with on‐site 

measurements performed on the hydropower plant Francis turbine unit. 

To identify the hydro‐acoustic parameters on the complete part load operating range, empirical laws 

linking both precession and natural frequencies with the swirl degree of the flow exiting the runner are, 

first, established on the reduced scale model. The corresponding hydro‐acoustic parameters are, then, 

identified by using the dimensionless wave speed and bulk viscosity introduced by Landry et al. [1‐ 2], 

see Deliverable D4.2, and the 1D SIMSEN model of the test rig. The corresponding excitation sources 

induced by the vortex rope are also  identified. The transposed hydro‐acoustic parameters are finally 

injected  in  the  1D  SIMSEN  model  of  the  hydropower  plant  unit,  enabling  the  computation  of  its 

eigenfrequencies as a function of the discharge factor, as well as the prediction of the amplitude of the 

pressure fluctuations.  

The same procedure is used at full load conditions. The frequency of the instability, identified as the first 

eigenfrequency of the hydraulic system, is  identified on the reduced scale model and expressed as a 

function  of  the  degree  of  swirl  of  the  flow  exiting  the  runner.  The  corresponding  hydro‐acoustic 

parameters are, then, identified and transposed to the prototype scale. This enables the prediction of 

the frequency of the instability at the prototype scale. 

The results are compared with the results of on‐site measurements performed in November 2016 in the 

hydropower plant unit. 

Page 6: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 6/43 

2 One‐dimensional  modelling  of  the  hydropower  plant  unit  at  off‐design conditions 

2.1 One‐dimensional SIMSEN model of the hydropower plant unit  

The objectives are to predict the pressure pulsations induced by the cavitation vortex rope occurring in 

off‐design conditions and to assess the power plant stability on its complete operating range. For this 

purpose,  a  1D  SIMSEN model  of  the  main  electrical,  hydraulic  and mechanical  components  of  the 

hydropower plant unit is implemented [4]. A detailed presentation of this model can be found in the 

Deliverable D4.3. 

As  the  simulations  performed  and  presented  in  the  Deliverable  D4.3  have  shown,  in  case  the  unit 

operates with a synchronous generator, there is no need to model the electrical components and the 

related power network to which the machine is connected if only the stability of the unit is investigated. 

Indeed, their effects on the amplitude and the frequencies of the pressure pulsations experienced by 

the hydraulic circuit are negligible. 

Since  the  hydropower  plant  unit  has  a  synchronous  generator  and  this  Deliverable  focuses  on  the 

pressure pulsations observed on  its  hydraulic  circuit,  only  the hydro‐mechanical  components of  the 

machine are modelled. Additionally, a few improvements on the original 1D model presented in D4.3 

are made to increase the accuracy of the model. Based on drawings of the water passages, wave speeds 

in the pipes have been computed taking into account the material and the wall thickness. Moreover an 

extra pipe named “BS” (see Figure 1) is also added to model the effect of the spiral casing.  

 

Figure 1 1D SIMSEN model of the hydropower plant unit  

2.2 Modelling of the cavitation vortex rope in the draft tube 

The hydro‐acoustic model of the cavitation draft tube flow is presented in details in the Deliverable D4.2. 

It  is  represented  in  Figure 1 by  the element DTUBE21 and  its  electrical  analogy  scheme  is  shown  in 

Figure 2. 

The main hydro‐acoustic parameters modelling the cavitation draft tube flow, which will be transposed 

from the model scale to the prototype scale, are the following: 

‐ The wave  speed a  in  the  draft  tube, which  is  linked  to  the  cavitation  compliance Cc  by  the 

relation Cc = g AL / a with g being the gravity, A the cone section and L the cone length; 

‐ The  bulk  viscosity  μ’’  representing  the  internal  processes  breaking  the  thermodynamic 

equilibrium between the cavitation volume and the liquid phase; 

‐ The pressure excitation source Sh induced by the precession of the vortex rope at part load. 

More details about the modelling of the cavitation draft tube flow and the corresponding hydro‐acoustic 

parameters can be found in the references [1, 2, 3, 4, 10, 11]. 

 

Page 7: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 7/43 

 

Figure 2 Representation of the draft tube featuring a cavitation vortex rope by an equivalent electrical scheme 

A  method  for  coupling  experimental  measurements  on  a  reduced  scale  model  with  an  external 

excitation system and the 1D SIMSEN model of the test rig has been developed by Landry et al. [1,2] and 

presented  in  the Deliverable D4.2.  The  corresponding measurements  on  the  reduced  scale  physical 

model were presented in the Deliverables D1.3 and D1.5 in the framework of WP1. 

2.3 Validation  of  1D  SIMSEN  model  of  the  hydropower  plant  unit  by  transient simulations 

To validate the 1D SIMSEN model of the hydropower plant, the simulation of an emergency shutdown 

is compared to measurements performed during the on‐site tests. The operating condition of the Unit 

2 before the emergency shutdown is summarized in Table 1. 

Table 1 Operating condition of Unit 2 before emergency shutdown 

Output power  434 MW Wicket gate opening  85 % 

Guide vane angle  22.4° ZHeadwater  752.8 m asl ZTailwater  572.4 m asl 

The non‐linearity of  the guide vane angle closing  law,  featuring  two slopes, has been measured and 

reproduced  in the SIMSEN model  for  the simulation. The kinematic relationship between the wicket 

gate opening and the guide vane angle shown in Figure 3 has been used as input for the SIMSEN model. 

 

Figure 3 Kinematic relationship between wicket gate opening and guide vane angle 

In Figure 4, Figure 5 and Figure 6, the time history during the emergency shutdown of the guide vane 

angle,  the  rotational  speed,  the  pressure  in  the  spiral  case  and  the  pressure  in  the  draft  tube  are 

compared to the measurements, respectively. The simulated quantities are indicated by the suffix “_s”. 

Page 8: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 8/43 

 

Figure 4 Time history of guide vane angle and rotational speed 

 

 

Figure 5 Time history of guide vane angle and pressure in spiral case pSC10 

 

Figure 6 Time history of guide vane angle and pressure in the draft tube pDT10 

Regarding the steady state before the emergency shutdown, the measured guide vane angle of 70% is 

imposed to the SIMSEN model. The resulting steady pressure in the spiral case pSC10 is similar to the 

measurements, which means that the modelled energy losses and the upstream hydraulic layout are 

valid. However, the steady pressure in the draft tube exhibits an offset of 0.4 bar. This difference could 

be due to the swirling flow field in the draft tube that is not taken into account in the energy losses 

modelling of the draft tube.  

Page 9: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 9/43 

The  simulated  overspeed  of  the  unit  and  the  induced maximum  pressure  in  the  spiral  case  of  the 

emergency shutdown are similar to the measurements. Moreover, one can observe that the period of 

the water  hammer  is  well  reproduced,  which  validates  the  values  of  the wave  speed  in  the water 

passages.  

However, the measurements of the draft tube pressure during the emergency shutdown show that the 

unsteady flow field of the cavitation vortex rope in the draft  tube induces pressure fluctuations, see 

Figure 6. These fluctuations are not reproduced by the SIMSEN model since no momentum excitation, 

modelling the cavitation vortex rope, is set. Time history of three pressure sensors located in the draft 

tube are shown In Figure 7. The corresponding pressure fluctuations are synchronous in time, meaning 

that plane waves are generated in the draft tube by the cavitation vortex rope. 

 

Figure 7 Time history of pressure in the draft tube for three different sensors 

Based  on  this  comparison  with  measurements  for  emergency  shutdown,  the  SIMSEN  model  is 

considered as valid and calibrated for frequency analysis and prediction of stability of the power plant. 

   

Page 10: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 10/43 

3 Description  of  hydropower  plant  on‐site  measurements  and  main results 

3.1 Investigated operating points 

On‐site tests were performed on the hydropower plant unit in November 2016. A detailed description 

of the tests is already provided in Deliverable D5.2. In the following, only results from pressure sensors 

located in the draft tube cone, the spiral casing and the penstock are used. 

The output power of the hydropower plant unit was varied from its maximum P = 475 MW value to its 

minimum value P = 78 MW, with stabilization at given operating points during several minutes. The list 

of the operating points investigated during the tests is given in Table 2, together with the corresponding 

operating parameters determined by using an interpolation of the test case hill chart. 

Table 2 Operating parameters of the investigated operating points on the prototype 

OP  

P (MW) 

nED (‐) 

QED (‐) 

σ (‐) 

Fr (‐) 

S (‐) 

 

1a  474  0.2765  0.2450  0.1005  5.77  ‐0.054  Full load 

1b  477  0.2787  0.2533  0.1176  5.72  ‐0.090  Full load 

2  448  0.2773  0.2321  0.107  5.75  0.030   

3  399  0.2770  0.2054  0.1055  5.76  0.220   

4  347  0.2766  0.1800  0.1055  5.76  0.450   

5  312  0.2763  0.1632  0.1021  5.77  0.644  Part load 

6  295  0.2763  0.1556  0.1024  5.77  0.746  Part load 

7  270  0.2764  0.1439  0.1038  5.76  0.924  Part load 

8  262  0.2765  0.1406  0.1045  5.76  0.981  Part load 

9  253  0.2764  0.1361  0.1036  5.76  1.060  Part load 

10  240  0.2763  0.1302  0.1033  5.76  1.173  Part load 

11  225  0.2763  0.1237  0.1036  5.76  1.310  Part load 

12  214  0.2759  0.1188  0.1008  5.77  1.420  Part load 

13  171  0.2757  0.0986  0.0994  5.77  ‐  Deep part load 

14  127  0.2756  0.0767  0.0994  5.77  ‐  Deep part load 

15  78  0.2756  0.0496  0.1002  5.77  ‐  Deep part load 

 

3.2 Precession and natural frequencies at part load conditions 

For  each  operating  point  corresponding  to  part  load  conditions,  the  cross‐spectrum  between  two 

pressure signals measured in the same cross‐section of the draft tube cone is computed. An example is 

given for OP10 in Figure 8, which includes the amplitude (a) and the phase of the auto‐spectrum (b). 

The  pressure  fluctuations  at  the  frequency  f0  are  of  synchronous  nature  and  this  frequency  can  be 

identified as the natural frequency of the system, similar to the reduced scale model [5]. Therefore, it is 

Page 11: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 11/43 

possible to determine both precession and natural frequency values of the prototype by a cross‐spectral 

analysis between pressure signals measured in the same cross‐section of the draft tube cone. 

 (a) Amplitude            (b) Phase 

Figure 8 Cross‐spectrum between two pressure signals measured in the same cross‐section of the draft tube cone at OP10 

The influence of the discharge factor on the precession frequency and the natural frequency is given in 

Figure 9.  The  discharge  factor  is made  dimensionless  by  its  value  at  the  Best  Efficiency  Point  (BEP) 

QED* = 0.20.  Different  flow  regimes  similar  to  those  observed  on  the  model  [6]  are  observed,  see 

Deliverable 4.1. The precession frequency value increases linearly as the discharge factor is decreased. 

The  transition  from  the  regime  2  to  the  regime  3  is  comprised  between  QED  /  QED*  =  0.59  and 

QED / QED* = 0.48. However, no measurement was performed in this operating range and, therefore, it is 

not possible to determine precisely the limits of the flow regimes. This range of QED values is however 

in agreement with the observations made on the reduced scale model, see Deliverable D4.1. 

 

Figure 9 Influence of the discharge factor on the precession frequency and the natural frequency of the prototype. 

3.3 Resonance at part load conditions 

The influence of the discharge factor on the amplitude and the phase of the cross‐spectrum between 

two pressure signals measured in the cone is given in Figure 10. 

The  resonance  conditions  occurs  for  a  discharge  factor  comprises  between QED  =  0.1406  (OP8)  and 

QED = 0.1361 (OP9). The amplitude of the cross‐spectrum at frope reaches its maximum at these points 

and the phase shift at frope tends towards zero, which indicates that the synchronous pressure pulsation 

is strongly amplified and is dominant compared with the convective pressure fluctuations in the draft 

tube cone. 

0 0.2 0.4 0.6 0.80

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

1.0

|Gxy

|(Hz-1)

(-)

f / n

f0

frope

×10-2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

-�

�2

-�2

θxy

(rad)

(-)

f / n

f0

frope

0.08 0.1 0.12 0.14 0.160.2

0.6

1

1.4

0.18(-)

Tra

nsi

tion

regim

es 2

-3

f(Hz)

QED

frope

f0

Page 12: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 12/43 

 (a) Amplitude            (b) Phase 

Figure 10 Influence of the discharge factor on the cross‐spectrum amplitude and phase on the prototype. The pressure sensors are located in the same cross‐section of the cone. 

3.4 Instability at full load conditions 

Operating points at full load conditions were explored to investigate the onset of full load instability and 

its impact on the mechanical behaviour of the unit. The opening angle of the guide vane was set to reach 

the maximum output power of the unit, i.e. P = 475 MW. The output power was limited to this value 

due to the limitation of the generator. 

For this maximum output power, the system remained stable for the initial head value, i.e. H = 179.9 m 

(OP1a).  To  increase  the  distance  from  the  swirl‐free  zone,  the  tailwater  reservoir  level  has  been 

increased by operating simultaneously Unit 1 and Unit 3. As a result, the head value was decreased, 

allowing an increase of the discharge for the same maximum output power P = 475 MW (OP1b). In such 

conditions, the system enters self‐excitation, as illustrated in Figure 11. In this figure, the coefficient Cp 

corresponds to the pressure pulsations made dimensionless by the turbine head. The frequency of the 

instability in these conditions is equal to 0.79 Hz. It induces output power fluctuations of high amplitude, 

whose peak‐to‐peak value reaches 40 MW, i.e. 9 % of the rated output power of the machine. 

 (a) Stable configuration        (b) Unstable configuration 

Figure 11 Time history of pressure signals measured in the draft tube cone in stable and unstable configurations. The pressure signals are made dimensionless by the net head 

 

Tra

nsi

tion

regim

es 2

-3

0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

|Gxy

|(Hz-1)

×10-2

(-)

QED / QED*

Res

onan

ce

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0

-�

�2

-�2

(rad) θxy

Tra

nsi

tion

regim

es 2

-3

(-)

QED / QED*R

esonan

ce

0 5 10 15 20-0.05

0

0.05

0.1

Cp(-)

(-)

n × t

draft tube cone - left

draft tube cone - right

0 5 10 15 20-0.05

0

0.05

0.1

Cp(-)

(-)

n × t

Page 13: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 13/43 

4 Transposition  of  the  hydro‐acoustics  parameters  and  resonance prediction at part load conditions 

4.1 Part load resonance prediction based on the swirl number at the model scale 

4.1.1 Determination of the vortex precession frequency frope and the natural frequency f0 

Pressure fluctuations measurements are carried out on the reduced scale physical model of the Francis 

turbine test case for values of the speed factor covering the head range of the prototype. For each nED 

value, the discharge factor is varied in a wide range of value, from about 90 % to 50 % of the value at 

the Best Efficiency Point (BEP). Moreover, the Thoma number σ is set at the rated value of the prototype, 

which corresponds to the average level of the tailwater reservoir. The investigated operating points are 

given in Table 3. 

Table 3 Operating parameters of the operating points investigated on the model 

nED (‐) 

QED (‐) 

σ (‐) 

Fr (‐) 

Comments 

0.268  variation  0.095  8.73 ‐ No Froude similitude  ‐ σ‐value corresponding to the average tailwater level 

0.277  variation  0.102  8.73 

0.288  variation  0.110  8.73 

0.300  variation  0.119  8.73 

0.317  variation  0.133  8.73 

For each operating point, the precession frequency of the vortex frope and the first eigenfrequency f0 of 

the test rig are identified by cross‐spectral analysis of two pressure signals measured in the same cross‐

section of the draft tube cone. An example is given in Figure 12.  

 

Figure 12 Cross‐spectral analysis of two pressure signals measured in the same cross‐section of the cone in cavitation conditions 

In  addition  to  the  precession  frequency,  a  frequency  f0  with  a  coherence  level  higher  than  0.95  is 

identified.  The phase  shift  equal  to  zero  at  this  frequency  highlights  the  synchronous nature of  the 

pressure fluctuations propagating at this frequency. Favrel et al. [5] identified this frequency as the first 

natural frequency of the hydraulic circuit. It is therefore possible for this particular test case to identify 

the  natural  frequency without  external  excitation  system,  as  it was  used by  Landry et  al.  [1‐2],  see 

Deliverable D4.2. This feature is exploited to determine the natural frequency for all the investigated 

operating points.  

4.1.2 Resonance conditions 

The influence of the discharge factor on both the precession frequency and the natural frequency is 

given in Figure 13 for a speed factor equal to nED = 0.288. Its influence on the hydro‐acoustic response 

0 0.2 0.4 0.6 0.80.7

0.8

0.9

1

(-)

(-)

Cxy

f / n

f0 frope

0 0.2 0.4 0.6 0.80

1

2

3

4x 10

−4

|Gxy

|

(-)

(Hz -1)

f / n

f0

frope

0 0.2 0.4 0.6 0.8

0

(rad)

(-)

θxy

f / n

frope

f0

Page 14: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 14/43 

of the system, represented by the amplitude of the auto‐spectrum of a pressure signal measured in the 

upstream  pipe,  is  also  given.  The  discharge  factor  is  made  dimensionless  by  its  value  at  the  Best 

Efficiency Point (BEP), QED* = 0.20. Different flow regimes are observed depending on the value of the 

discharge factor, similarly to those observed in cavitation‐free conditions [6]. 

 (a) Frequency        (b) Auto‐spectrum amplitude 

Figure 13 Influence of the discharge factor on the frequencies frope and f0 (a) and on the system response (b) for    nED = 0.288 and σ = 0.11 

The natural frequency rapidly decreases when the discharge factor is decreased within the regime 1. 

Within  the  regime  2,  the  values  f0  slowly  decreases  and  remains  quasi‐constant  for  low  values  of 

discharge. Beyond the transition between the regimes 2 and 3, the natural frequency starts increasing, 

which is the consequence of the incoherent fluctuations of the cavitation volume within the vortex core 

at these operating conditions. When the value of the natural frequency approaches the value of the 

precession  frequency,  the  pressure  pulsations  are  amplified  as  shown  in  Figure 13.  Their  amplitude 

reaches its maximum for a discharge factor of QED / QED* = 0.78, when the natural frequency matches 

with the precession frequency. That corresponds to the resonance conditions. 

The resonance conditions are identified for all the investigated values of speed factor. The results are 

presented in Figure 14 as a function of nED and QED. The operating points corresponding to the swirl‐free 

conditions are also reported in this figure. 

 

Figure 14 Resonance conditions identified by pressure measurements on the reduced scale physical model 

The value QEDres of the discharge factor in resonance conditions linearly increases when the speed factor 

is increased, in a similar way than the value QED0 in swirl‐free conditions. This suggests that the resonance 

conditions  occur  for  a  given  value  of  swirl  degree  of  the  flow  exiting  the  runner.  Based  on  this 

observation, both precession and natural frequencies will be expressed as a function of the swirl number 

of the flow exiting the runner, whose analytical expression as a function of the operating parameters of 

the machine is derived in the following. 

0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.1

0.2

0.3

0.4

QED

/ QED

*

(-) f / n

(-)

frope

f0

Regime 3 Regime 2 Regime 1

0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

2

4

6

QED

/ QED

*

(-)

(Hz -1) Gxx

(frope

)

Resonance

×10 3

Regime 3 Regime 2 Regime 1

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

Resonance conditions

Swirl-free conditionsnED

QED

(-)

(-)

Page 15: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 15/43 

4.1.3 Swirl number 

The swirl degree of the flow exiting the runner can be characterized by the swirl number [7‐8], which is 

defined by the ratio between the axial flux of angular momentum and the axial flux moment of axial 

momentum as follows: 

 

2

0

2

0

R

R

Cm Cu r dr

S

R Cm r dr

   (1) 

where Cm and Cu are the time‐averaged axial and tangential velocity components, respectively, and R 

is the radius of the section at the runner outlet. By assuming that the axial flow velocity is independent 

of the radial position,  i.e. Cm = 4 Q / π D2, a simple analytical expression of the swirl number can be 

derived and it can be finally expressed as a function of the operating parameters of the machine, i.e. the 

speed and discharge factors as follows: 

 

2

0

1 1( )

8ED

ED ED

S nQ Q

   (2) 

where QED0 is the discharge factor corresponding to the swirl‐free conditions for a given nED‐value. The 

complete demonstration can be found in Favrel et al. [9], which is in press for publication in the Journal 

of Hydraulic Research.  

4.1.4 Empirical laws for prediction of frope and f0  at the model scale 

The results presented in the section 3.1.2 suggest that, for a given σ‐value, the precession frequency 

and the natural frequency of the test rig are mainly driven by the swirl degree of the flow exiting the 

runner. That imply that simple dimensionless laws linking both frequencies with the swirl number may 

represent  the  influence of both  the speed and discharge  factors on  these  frequencies. The Strouhal 

number Strope and St0 are introduced: 

  3

St rope

rope

f D

Q   (3) 

  3

00St

f D

Q   (4) 

The theoretical swirl number is computed for all the investigated operating points by using Equation 2. 

The Strouhal numbers are, then, plotted as a function of the swirl number in Figure  15. The data collapse 

to one  linear function for the precession frequency and they collapse to one power function for the 

natural frequency. Linear and power regression laws fitting the experimental data are given in Figure  15. 

This result suggests that pressure measurements on the reduced scale model for a limited number of 

operating points would enable the prediction at the model scale of both frequencies on the complete 

part load operating range for which the vortex rope is coherent (Regime 1 and Regime 2). 

For these conditions of σ and nED,  the swirl number for which resonance conditions are expected to 

occur can be determined by using Figure  15 and is equal to S = 0.756. Based on this value, an expression 

between the speed factor and the discharge factor in resonance conditions can be derived: 

 

2

8 11 / ( )

0.7252 0.0355res resED

ED ED

SQ

n n   (5) 

Page 16: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 16/43 

In this expression, the value of QED0 is approximated by the linear relation QED

0 = 0.7252 nED + 0.0355. 

The resonance conditions are identified at QED = 0.17 for a speed factor of 0.317 whereas the computed 

value  is  equal  to  0.1695,  which  confirm  the  ability  of  Equation  5  to  fairly  predict  the  resonance 

conditions on the complete part load operating range at the model scale. 

 (a) Precession frequency        (b) Natural frequency 

Figure  15 Strouhal numbers as a function of the swirl number computed analytically 

The measurements  presented  above  were  not  performed  in  Froude  similitude  with  the  prototype. 

Therefore, a second set of measurements were carried out in Froude and σ similitude with the prototype 

for a given nED value. The corresponding parameters are nED = 0.288, Fr = 5.5 and σ = 0.11. The values of 

the natural frequency as a function of the swirl number are reported in Figure 16 and compared with 

the previous results and those obtained for two other Froude numbers (Fr = 6.56 and 7.65). 

 

Figure 16 Natural frequency as a function of the swirl number for three different values of the Froude number 

For a given value of swirl number, a decrease in the value of the Froude number results in a decrease of 

the natural frequency of the test rig. Therefore, the Froude number influences the value of the hydro‐

acoustic parameters modelling the cavitation flow in the draft tube. However, the influence of the swirl 

on the natural frequency is similar at both Froude numbers, i.e. Fr = 8.7 and Fr = 5.47, suggesting that 

the same power regression law can be used for all the Froude numbers with however a shift.  

In the following, the hydro‐acoustic parameters of the cavitation draft tube flow, i.e. the wave speed 

and the bulk viscosity, are determined for all the investigated operating points and are, then, transposed 

to the prototype scale to predict the resonance conditions on the real machine. 

4.1.5 Determination of the wave speed and bulk viscosity at the model scale 

For each operating point, the wave speed a and the bulk viscosity μ’’ in the draft tube are identified by 

using the 1D SIMSEN model of EPFL test rig PF3. A detailed description of this model is already given in 

Deliverable  D4.2.  Based  on  the  value  of  the  natural  frequency  identified  experimentally,  both 

parameters  can  be  determined  to  obtain  the  same  natural  frequency  with  the  1D  model.  The 

nED

= 0.268

nED

= 0.277

nED

= 0.288

nED

= 0.300

nED

= 0.317

fitting law

0.50

0.5

1

1.5

(-) frope D

3 / Q

1 1.5 2(-)

S0.5 1 1.5 20

0.5

1

1.5

f0 D3 / Q(-) n

ED = 0.268

nED

= 0.277

nED

= 0.288

nED

= 0.300

nED

= 0.317

fitting law

S

(-)

0

2

4

6

8

0.5 1 1.5 2

f0

S

(Hz) Fr = 8.7

Fr = 6.56

Fr = 5.47

(-)

Fr = 7.65

Page 17: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 17/43 

corresponding algorithms were developed and used by Landry et al. [1‐2] (see Deliverable D4.2). In this 

case, an external excitation system was used and the procedure has to be adapted for the present case. 

The determination of the parameters a and μ’’ is based on the empirical laws established by Landry et 

al. [1‐2]. The dimensionless wave speed and bulk viscosity are defined as: 

 

2w

out v

a

p p  (6) 

  2 20 1 c

out v w

fM

p p

   (7)

where    is  the dimensionless wave  speed, M’’  is  the dimensionless  bulk  viscosity, ρw  is  the water 

density, ρc is the vapour density, pout is the pressure at the turbine outlet, pv is the vapour pressure, f0 is 

the system’s natural frequency and β is the void fraction.  

The relation between these dimensionless numbers and the void fraction β were defined in D4.2. The 

results are presented once again in Figure 17. 

 

(a)            (b) 

Figure 17 Dimensionless wave speed   (a) and dimensionless bulk viscosity M’’ (b) as a function of 

the void fraction 

Initially, the bulk viscosity is set to zero and the wave speed is determined in order to obtain a value of 

f0 with the 1D model equal to the value identified experimentally. The dimensionless wave speed is, 

then, computed and the void fraction β is determined by using the law   = f(β) presented in Figure 17. 

The corresponding bulk viscosity is determined by using the law M’’ = f(β) and is, then, injected in the 

1D model of  the  test  rig.  The wave  speed  is  re‐calculated by  considering  the new value of  the bulk 

viscosity. From this new value of a, the corresponding void fraction is, then, determined. The new void 

fraction leads to a new value of bulk viscosity that is again injected in the 1D model of the test rig. The 

algorithm ends when the value of f0 computed by the 1D model tends towards the experimental value. 

The algorithm is illustrated in Figure 18. 

 

Page 18: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 18/43 

 

Figure 18 Algorithm for the determination of the wave speed and the bulk viscosity at the model scale 

The wave speed obtained by this procedure is given in Figure 19a as a function of the swirl number. For 

a given Froude number, a power regression law can represent the influence of the swirl number on the 

wave speed. It is also observed that the wave speed remains almost constant beyond S > 1. However, 

for a given swirl number, a decrease of the Froude number results in a decrease of the wave speed. A 

linear relation is observed between the swirl number and the minimum value of wave speed (for S > 1), 

as illustrated in Figure 19b.  

 (a) am vs swirl number        (b) Minimum am vs Froude number 

Figure 19 Influence of the Froude number on the wave speed 

 

Experimental value of f0

Iden�fica�on of a with 1D SIMSEN model (μ’’ = 0)

Determina�on of β with the law Π = f(β)

Determina�on of μ’’ withthe law M’’ = f(β)

| f0, num - f0 | < Δf

Iden�fica�on of a withthe new value of μ’’

Final values (a , μ’’)

No

Yes

mm

m

m

m

m

m

0

20

40

60

80

1.5 2

am

S

(m.s-1) Fr = 8.7

Fr = 6.56

Fr = 5.47

Fr = 7.65

0.5 1 (-)10

15

20

25

am

Fr

(m.s-1)

(-)5 6 7 8 95.76

13.3

Page 19: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 19/43 

 (a) Fr = 5.47 and Fr = 8.7          (b) Fr = 5.76 

Figure 20 Power regression law with standard deviation for the wave speed as a function of the swirl number 

 (a) μ’’ vs swirl number          (b) Minimum μ’’ vs Froude number 

Figure 21 Influence of the Froude number on the bulk viscosity 

The power regression fitting law with the corresponding standard deviation is defined for the influence 

of the swirl number on the wave speed at Fr = 8.7. The same law can fairly represent the influence of 

the swirl number on the wave speed at Fr = 5.47, as shown in Figure 20a. The interpolation presented 

in Figure 19b is finally used to shift the power regression law and represent the influence of the swirl 

number on the wave speed for Fr = 5.76 for which no experimental data are available. The resulting 

curve is given in Figure 20b. This Froude number corresponds to the value of the prototype during the 

on‐site measurements. However, in case of a different head value on the prototype, the curve a = f(S) 

should be shifted according to Figure 19b. 

 (a) Fr = 5.47 and Fr = 8.7          (b) Fr = 5.76 

Figure 22 Power regression law with standard deviation for the bulk viscosity as a function of the swirl number  

The same procedure is used for the bulk viscosity. As shown in Figure 21 and Figure 22, the dispersion 

of the results is higher for the bulk viscosity. However, it does not affect the accuracy of the results since 

0

20

40

60

80

1.5 20.5 1 (-)

am

S

(m.s-1) Fr = 8.7 (exp.)

Fr = 5.47 (exp.)

Fr = 8.7 (fitting law with

standard deviation)

Fr = 5.47 (fitting law with

standard deviation)

0

20

40

60

80

1.5 20.5 1

am

S

(m.s-1)

(-)

0

2

4

6

8×104

1.5 2

μm’’

S

(Pa.s) Fr = 8.7

Fr = 6.56

Fr = 5.47

Fr = 7.65

0.5 1 (-)1

3

4

Fr

(-)5 6 7 8 95.76

1.96

×104

μm’’(Pa.s)

0

2

4

6

8×104

μm’’(Pa.s)

1.5 20.5 1 (-)

S

Fr = 8.7 (exp.)

Fr = 5.47 (exp.)

Fr = 8.7 (fitting law with

standard deviation)

Fr = 5.47 (fitting law with

standard deviation)

0

2

4

6

8

1.5 20.5 1

S(-)

×104

μm’’

(Pa.s)

Page 20: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 20/43 

the influence of the bulk viscosity on the value of the natural frequency is negligible. The influence of 

the swirl number on the bulk viscosity for Fr = 5.76 is finally given in Figure 22b under the form of a 

power regression fitting law with the corresponding deviation. 

4.2 Part load resonance prediction at the prototype scale 

4.2.1 Transposition of the wave speed and the bulk viscosity 

The hydro‐acoustic parameters of the draft tube cavitation flow are transposed from the model scale to 

the  prototype  scale.  The  hydro‐acoustic  parameters  corresponding  to  the  conditions  in  Froude 

similitude with the operating conditions tested on the prototype (Fr = 5.76) are used. 

For the transposition of the wave speed in Froude similarity, Equation (8) can be directly used. For the 

bulk viscosity, the transposition of its value from the model scale to the prototype scale requires the 

values of the natural frequency on both the model and the prototype as described in Equation (9) (see 

Landry [2]). 

 

prot prot

prot model

model model

D na a

D n   (8) 

 

2 2

0

0

prot prot modelprot model

model model prot

D n f

D n f   (9) 

The value of the natural frequency on the model at a Froude number equal to Fr = 5.76 is computed by 

interpolating  the  results  obtained  at  Fr  =  5.52  and  Fr  =  5.76.  For  the  transposition,  the  algorithm 

presented in Figure 23 is used. For a given swirl number, only the mean value of the bulk viscosity is 

considered as its influence on the natural frequency is negligible whereas the standard deviation of the 

wave speed is taken into account. 

 

Figure 23 Algorithm for the transposition of the wave speed and the bulk viscosity 

The values of the wave speed and bulk viscosity on the prototype are given in Figure 24 as a function of 

the swirl number.  

Transposi�on of a

Computa�on of f0 on the prototype (μ’’ = 0)

Transposi�on of μ’’

| fi+1 - fi | < Δf

Computa�on of f0 withthe new value of μ’’

Final values (a , μ’’, f0 )

No

Yes

Transposi�on of μ’’ withthe new value of f0

m

p

m

p

p

pp

m

p pp

Page 21: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 21/43 

 (a) Wave speed           (b) Bulk viscosity 

Figure 24 Hydro‐acoustic parameters as a function of the swirl number at the prototype scale  

4.2.2 Natural frequency of the prototype  

The value of the natural frequency of the hydropower plant unit is given in Figure 25 as a function of the 

swirl number and the discharge factor. The speed factor is equal to nED = 0.2764. 

 (a)               (b)  

Figure 25 Natural frequency of the prototype as a function of the swirl number (a) and the discharge factor (b) for a speed factor equal to nED = 0.2764 

4.2.3 Precession frequency of the vortex on the prototype 

To predict  the resonance conditions on the prototype,  the value of  the precession  frequency  is also 

required. It is expected that the precession frequency can be directly transposed since it depends only 

on the hydraulic conditions of the machine, which are conserved from the model to the prototype for 

given values of discharge factor and speed factor. The relation between the Strouhal number and the 

swirl number established by model tests and presented previously  is given once again  in Figure 26a. 

Additional results obtained with a different Froude number are also added. It is shown that the Froude 

number does not affect the relation Str = f(S) for the precession frequency. A linear best‐fit curve, with 

the  corresponding  standard  deviation,  can  finally  model  the  influence  of  the  swirl  number  on  the 

Strouhal number for the precession frequency, as shown in Figure 26b. 

Based  on  this  relation,  the  influence  of  the  discharge  factor  on  the  precession  frequency  at  the 

prototype  scale  for  a  speed  factor  of  nED  =  0.2764  is  finally  derived  and  presented  in  Figure 27. 

Nevertheless, this  linear relation between Strouhal and swirl number cannot reproduce the constant 

precession frequency observed for high values of discharge factor (flow regime 1). However, considering 

the low values of the precession frequency on the prototype, the absolute error can be neglected. 

0

50

100

150

200

1.5 20.5 1

ap

S

(m.s-1)

(-)0

1

2

3

1.5 20.5 1

S(-)

×106

μp’’

(Pa.s)

0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2

S

(-)

f (Hz)

0

0.5

1

1.5

0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

QED

(-)

f (Hz)

Page 22: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 22/43 

 (a) Raw data (model)          (b) Linear fitting law 

Figure 26 Linear regression law with standard deviation for the Strouhal number of the precession frequency as a function of the swirl number 

 

 

Figure 27 Precession frequency on the prototype with the corresponding standard deviation as a function of the discharge factor for the condition nED = 0.2764 

4.2.4 Prediction of  the resonance conditions on the prototype and comparison with on‐site 

measurements 

The  influence  of  the  discharge  factor  on  both  the  precession  frequency  and  the  prototype  natural 

frequency is given in Figure 28. That enables the determination of the range of discharge factors for 

which resonance are expected to occur according to the transposition methodology developed in the 

framework of the HYPERBOLE project. 

 

Figure 28 Precession frequency and natural frequency of the prototype as a function of the discharge factor for the condition nED = 0.2764 

 

0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2

(-) frope D

3 / Q

(-)

S = f(nED, QED)

nED

= 0.268

nED

= 0.277

nED

= 0.288

nED

= 0.300

nED

= 0.317

fitting law

nED

= 0.288

(Froude sim.)

0.50

0.5

1

1.5

(-) frope D

3 / Q

1 1.5 2(-)

S = f(nED, QED)

0.1 0.12 0.14 0.16 0.180

0.5

1

1.5

QED

(-)

frope (Hz)

0

0.5

1

1.5

0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

QED

(-)

f (Hz)frope f0

Res

onan

ce p

red.

QED =[0.147-0.154] pred.

Page 23: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 23/43 

For  a  speed  factor  of  nED  =  0.2764,  the  resonance  conditions  are  predicted  for  a  discharge  factor 

comprised between QED = 0.147 and 0.154. That  corresponds  to an output power generated by  the 

prototype unit comprised between 279 and 295 MW and an opening guide vanes angles between 13.7 

and 14.4 deg. The frequency of the pressure pulsations in resonance conditions predicted by the model 

is comprised between 0.52 and 0.59 Hz.  

The predicted frequencies are now compared with those  identified experimentally on the prototype 

unit.  The  results  are  given  in  Figure 29.  A  perfect  agreement  is  observed  between  the  predicted 

precession  frequency and the one  identified by on‐site measurements.  It  can be concluded that  the 

empirical  law Str =  f(S) established by model  tests enables a very good prediction of  the precession 

frequency on the complete part  load operating range of  the prototype. As expected,  the precession 

frequency  can  be  directly  transposed  from  the  model  to  the  prototype  scale,  as  both  geometric 

homology and kinematic similarity between model and prototype scales are fulfilled according to IEC 

Standards  (1999).  As  the  law  linking  the  Strouhal  number with  the  swirl  number  is  linear,  pressure 

measurements on the model for a limited number of operating points would enable the prediction of 

the precession frequency on the complete part load operating range on the prototype. 

 

Figure 29 Comparison between the predicted frequencies and the ones identified by on‐site measurements. 

The results for the natural frequency of the prototype show a slight discrepancy between experimental 

results and those based on the 1D SIMSEN model. The difference in frequency is comprised between 

0.15  and  0.25  Hz.  That  results  in  a  slight  shift  between  the  resonance  conditions  observed  on  the 

prototype and those predicted by the methodology of transposition. 

The  resonance  are  observed  on  the  prototype  for  a  discharge  factor  between  0.1361  and  0.1406 

whereas the 1D SIMSEN model predict the occurrence of the resonance conditions at a discharge factor 

between 0.147 and 0.154. The results are reported on the complete hill chart of the machine in Figure 30 

These  differences  correspond  to  a  slight  shift  in  terms  of  output  power  of  the machine  comprised 

between 17 and 42 MW, i.e. 3.8% and 9.5% of the rated output power of the machine (Prated  = 444 MW). 

If the interpolation of the wave speed on the model as a function of the Froude number is performed 

for all the Froude numbers covering the head range of the prototype, the resonance conditions can be 

predicted  on  the  complete  part  load  operating  range  of  the  hydropower  plant  unit  by  using  the 

methodology presented previously. The predicted resonance conditions are reported in Figure 31 as a 

function of the raw head and the output power of the generating unit. The raw head and the output 

power are made dimensionless by their rated value, i.e. Hrated = 171 m and Prated = 444 MW. 

Res

onan

ce p

red.

0

0.5

1

1.5

0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

QED

(-)

f (Hz)

frope, pred.f0, pred.

Res

onan

ce e

xp.

frope, exp.

f0, exp.

Page 24: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 24/43 

 

Figure 30 Test case hillchart with the predicted and observed resonance conditions. 

 

 

Figure 31 Predicted resonance on the complete operating range of the generating unit 

4.3 Part load resonance prediction based on similitude of local cavitation factor  

4.3.1 Discrepancy of local cavitation factor between model and prototype  

The model  and  prototype  conditions  investigated  in  the  previous  sections  were  fulfilling  similitude 

conditions in terms of Thoma number. However, the values of wave speed identified at the model scale 

and transposed to the prototype scale are too low compared with the expected ones, which leads finally 

to a discrepancy in terms of natural frequencies between prediction and experiment. 

This discrepancy might be explained by different pressure conditions in the draft tube cone between 

model  and  prototype,  even  if  the  similitude  conditions  are  fulfilled,  i.e.  same  values  for  the  Thoma 

number, Froude number, speed factor and discharge factor. 

 

Observed resonance: P = 253 - 262 MW

Predicted resonance: P = 287 ± 8 MW fres = 0.555 ± 0.035 Hz pred.

QED

(-)

nED

(-)

0.26

0.27

0.28

0.29

0.30

0.31

0.32

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Swirl-free

zone

Lower limit

part load

Interblade

vortices

limit

Prototype measurements

fres = 0.62 Hzexp.

Page 25: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 25/43 

To compare the pressure conditions between model and prototype, the local cavitation coefficient is 

introduced: 

 2 2

vxnD

p p

n D

   (10) 

where x

p  is the mean pressure in a reference located in the cone. 

The local cavitation coefficient is computed for all the operating points measured on the reduced scale 

model with a Thoma number equal to σ‐rated. Its value is plotted in Figure 32 as a function of the swirl 

number. The values of the local cavitation coefficient measured on the prototype are also given. 

 

Figure 32 Local cavitation coefficient as a function of the swirl number at the model and prototype scales. 

An important discrepancy in terms of local cavitation coefficient is observed between the model and 

the prototype is observed whereas the value of the Thoma number are very similar. This difference in 

terms of pressure conditions might be induced by different specific energy losses between model and 

prototype and might  explain  the  final  discrepancy observed  for  the  values of  the natural  frequency 

between prediction and experiments. 

4.3.2 Wave speed as a function of the swirl number and the local cavitation coefficient 

To  overcome  this  problem  and  identify  the  wave  speed  on  the  model  scale  corresponding  to  the 

pressure conditions on the prototype, a 3‐D mapping of the wave speed identified on the model scale 

as a function of the swirl number and the local cavitation coefficient is realized. Measurements at two 

additional  values  of  Thoma  number,  corresponding  to  the  maximum  and  minimum  levels  of  the 

tailwater reservoir on the prototype, are added for the analysis. The 3‐D mapping of the wave speed for 

a Froude number equal to Fr = 8.76 is given in Figure 33. 

For  a  given  Froude  number,  the  relation  between  the wave  speed,  the  swirl  number  and  the  local 

cavitation coefficient can be represented by a single regression surface that is composed by the sum of 

Hermite polynomials. The standard deviation of the experimental data regarding the regression surface 

is also computed and included in Figure 33. 

Page 26: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 26/43 

 

Figure 33 Wave speed at the model scale as a function of the swirl number and the local cavitation coefficient, together with regression surface and corresponding deviation. 

To obtain the surface corresponding to different values of Froude number, a linear shift is used. Its value 

is identified by using the values of the wave speed identified at the model scale in Froude similitude, as 

illustrated in Figure 34. 

 

Figure 34 Wave speed at the model scale as a function of the swirl number and the local cavitation coefficient, together with regression surface and corresponding calculated wave speed 

4.3.3 Dimensionless wave  speed as  a  function of  the  swirl  number and  the  local  cavitation 

coefficient 

The value of  the Froude number has an  influence on  the value of  the wave speed, as  shown  in  the 

previous  section.  Therefore,  a  linear  shift  of  the  regression  surface  is  used  to  obtain  the  surface 

corresponding to different values of Froude number. 

To obtain a single surface including the influence of the Froude number, the dimensionless wave speed 

Π defined in Section 4.1.5 is used. The 3‐D mapping of Π as a function of the swirl number and the local 

cavitation coefficient is given in Figure 35, including two values of the Froude number, Fr = 8.76 and Fr 

= 5.52, respectively. Once again, all the data collapse in one single surface. Therefore, the influence of 

the  swirl  number,  the  local  cavitation  coefficient  and  the  Froude  number  on  the  value  of  the 

dimensionless wave speed at the model scale can be represented by a single regression surface. 

Page 27: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 27/43 

 

Figure 35 Dimensionless wave speed at the model scale as a function of the swirl number and the local cavitation coefficient, together with regression surface. 

4.3.4 Determination of the wave speed corresponding to the conditions during on‐site tests 

The values of wave speed at the model scale corresponding to the prototype conditions during on‐site 

measurements in terms of swirl number and local cavitation coefficient are, then, identified by using 

first the surface a = f(S, χnD) corresponding to the Froude number during on‐site measurements. The 

procedure is illustrated in Figure 36. 

 

Figure 36 Identification of the wave speed at the model scale corresponding to prototype conditions. 

The dimensionless wave speed at  the model scale corresponding to the prototype conditions  is also 

identified by using the surface Π = f(S, χnD), which is illustrated in Figure 37. 

The value of the wave speed at the model scale identified for each operating conditions investigated 

during on‐site measurements is given in Figure 38 as a function of the swirl number. Both methods are 

used, i.e. the identification based on the surface a = f(S, χnD) and the one based on the surface Π = f(S, 

χnD). The results obtained by both methods are very similar. 

Page 28: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 28/43 

The experimental values of the wave speed corresponding to the conditions during on‐site tests are also 

given. These values have been identified based on the 1D SIMSEN model of the hydropower plant unit 

and the values of the prototype natural frequency identified experimentally. 

The  calculated  values  of  the wave  speed  are  in  very  good  agreement with  the  values  identified  by 

experimental tests on the prototype, except for the point with the lowest value of swirl number 

 

Figure 37 Identification of the dimensionless wave speed at the model scale corresponding to prototype conditions. 

              Based on a = f(S, χnD)                                                        (b) Based on Π = f(S, χnD) 

Figure 38 Values of the wave speed identified on the model scale, together with the values identified by measurements on the prototype. 

4.3.5 Update of the predicted natural frequency and resonance conditions at the prototype 

scale 

The calculated values of the wave speed are then transposed from the model to the prototype scale by 

using the equation given in Section 4.2.1. By injecting the values of the transposed wave speed in the 

1D SIMSEN model of the hydropower plant unit, the natural frequency of the prototype is computed for 

each operating conditions investigated during model tests. Its value is given as a function of the output 

power of the machine in Figure 39 and is compared with the previous prediction that is based on Thoma 

number similitude. An increase of the value of the predicted natural frequency is obtained for all the 

operating conditions. 

Finally, the results are compared with on‐site results in Figure 40. 

Page 29: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 29/43 

 

Figure 39 Precession frequency and natural frequency of the prototype as a function of the discharge factor for the condition nED = 0.2764 

 

Figure 40 Comparison between the predicted frequencies and the ones identified by on‐site measurements. 

A very good agreement is now achieved between the predicted and experimental values of the natural 

frequency at the prototype scale. The experimental values are included in the range of uncertainty of 

the predicted values. Therefore, the predicted resonance conditions are in very good agreement with 

the conditions identified during on‐site tests, which validates the methodology based on the similitude 

in terms of local cavitation coefficient. 

4.4 Prediction  of  pressure  fluctuations  amplitude  at  part  load  conditions  on  the prototype  

4.4.1 Determination of the pressure excitation source at the model scale 

The excitation source induced by the precession of the vortex rope at part load conditions is modelled 

as a periodical pressure source Sh in the 1D SIMSEN model of the test rig, characterized by its amplitude 

A (in meters) and its frequency frope (in Hz) as follows: 

 2 ropej f t

Sh Ae    (11) 

The pressure source was previously modelled as a distributed source by representing its amplitude along 

the draft tube as a Gaussian distribution defined by an average location L and a standard deviation e [2]: 

 

2

2

( )( )

22 rope

x Lj f teSh Ae e

   (12) 

Page 30: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 30/43 

In the following, the pressure source is modelled as a lumped source and is applied on one element in 

the  SIMSEN model  of  the  test  rig. Moreover,  the  location  of  the  pressure  source  is  considered  as 

independent of the operating conditions whereas it was adapted for each operating point in [2], see 

Deliverable D4.2.  

For a given operating point, the amplitude A is adapted in order to obtain a forced harmonic response 

at  the  precession  frequency  simulated  by  the  1D  SIMSEN  model  [10]  similar  to  the  experimental 

response measured in the test rig by the pressure sensors located in the upstream pipes of the machine. 

Regarding the precession frequency, its value is fixed at the experimental value.  

The amplitude of the pressure excitation source is determined for all the operating points investigated 

in  the  previous  section.  They  include  the  measurements  at  Fr  =  5.47  (Froude  similitude  with  the 

prototype) and Fr = 8.7. For each operating point, the wave speed and the bulk viscosity are fixed at the 

value determined in Section 3 and the amplitude of the pressure source is, then,  identified. The raw 

amplitude A and its value made dimensionless by the net head of the turbine are plotted as a function 

of the swirl number in Erreur ! Source du renvoi introuvable.. 

 (a) Amplitude vs swirl        (b) Dimensionless amplitude vs swirl 

Figure 41 Amplitude of the pressure source and its value made dimensionless by the net head as a function of the swirl number for two different Froude numbers 

Similar to the hydro‐acoustic parameters a and μ’’, the data for the amplitude of the pressure source at 

Fr = 8.7 collapse in one single curve, except the operating points near the resonance conditions for which 

the dispersion of the results is very high. The amplitude at Fr = 5.47 is slightly lower, which highlights 

the influence of the Froude number on the pressure excitation source. However, if the amplitude of the 

pressure source is made dimensionless by the net head of the turbine, the experimental data collapses 

in one single curve as shown in Figure 41b, except once again the operating points near the resonance 

conditions.  This  result  will  be  exploited  to  determine  the  pressure  excitation  source  at  the  Froude 

conditions  corresponding  to  the  conditions  during  on‐site  measurements,  for  which  no  data  are 

available on the reduced scale model.  

It can be noticed that  the shape of  the curves  in n Figure 41  is unexpected, as the amplitude of  the 

pressure source reaches its maximum when the system enters into resonance. On the contrary, it was 

expected that the amplitude of the pressure source increases when the discharge factor decreases and 

reaches its maximum for high values of swirl number [6]. There is no reason why the amplitude of the 

pressure excitation  source  is affected by  the occurrence of  resonances, as  its  value depends on  the 

dynamics of the vortex rope and not on the interaction with the system.  

It can be suggested that the occurrence of resonances, which induce strong non‐linearity in the system 

due to the fluctuations of the cavitation volume, introduces an additional excitation. This excitation was 

notably introduced by Alligné [11] as a mass source term. However, it cannot be directly transposed to 

the  prototype,  contrary  to  the  pressure  excitation  source  induced  by  the  precession  of  the  vortex.  

0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2

2

A

S

(m)Fr = 8.7

Fr = 5.47

(-)

Resonance

0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2

2

A / H

S

(-)Fr = 8.7

Fr = 5.47

(-)

Resonance

Page 31: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 31/43 

Therefore, the 1D model and the methodology proposed in this work are not able to identify properly 

the pressure excitation source when the system enter into resonance. For this reason, only the results 

for  the  operating  points  far  from  the  resonance,  typically  with  S  >  1.25,  will  be  transposed  in  the 

following. 

As shown in n Figure 41b, the amplitude of the pressure source made dimensionless by the value of Hm 

remains  almost  constant  for  S  >  1.25, with  however  a  slight  dispersion  of  the  results.  The  average 

dimensionless amplitude and its corresponding standard deviation are equal to: 

  0.014 0.002  (‐)m

m

A

H    (13) 

4.4.2 Simulation in the time domain at the prototype scale 

This section is focused on the operating point OP12 investigated during the on‐site measurements. This 

operating point  is characterized by a swirl number S = 1.420 and a Froude number of Fr = 5.77. The 

amplitude of the pressure source corresponding to this Froude number at the model scale is equal to: 

  (0.014 0.002) 0.166 m 0.024 mm mA H    (14) 

The amplitude of the pressure source is transposed to the prototype scale as follows [2]: 

  p

p m

m

DA A

D    (15) 

where Dp and Dm are the diameter of the runner at the prototype scale and model scale, respectively. 

The amplitude for the investigated operating point is finally equal to Ap = 2.57 m ± 0.37 m. 

The hydro‐acoustic parameters corresponding to the investigated operating point on the prototype are 

identified according to the results obtained in Section 3: 

‐ a = 51.87 m.s‐1  ± 3.42 m.s‐1 

‐ μ’’ = 117350 Pa.s ± 35000 Pa.s 

‐ frope = 0.675 Hz ± 0.021 Hz 

These parameters are injected in the 1D SIMSEN model of the hydropower plant unit and a simulation 

in the time domain is performed. A total of 6 simulation is performed, including: 

‐ Simulations with the mean value of a and μ’’ and the minimum, mean and maximum values of 

A to highlight the effect of the uncertainty on the excitation amplitude (3 simulations); 

‐ Simulations with the mean value of A and the minimum, average and maximum values of a and 

μ’’ to highlight the effect of the uncertainty on the hydro‐acoustic parameters (3 simulations). 

The time history of the pressure fluctuations in the draft tube cone simulated with the 3 different values 

of the excitation amplitude is compared in Figure 42a with the experimental results measured on the 

prototype. The experimental results are filtered with a low‐pass filter at 0.9 Hz. The auto‐spectrum of 

the pressure fluctuations simulated with the mean value of A is also compared in Figure 42b with the 

experimental results (without filtering). A similar comparison is provided in Figure 43 for the pressure 

fluctuations in the penstock. 

Page 32: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 32/43 

 (a) Time domain         (b) Frequency domain 

Figure 42 Comparison between numerical and experimental results for pressure fluctuations in the draft tube cone. The minimum, average and maximum values of the amplitude are 

used for the simulation. 

 

 (a) Time domain         (b) Frequency domain 

Figure 43 Comparison between numerical and experimental results for pressure fluctuations in the penstock with the minimum, average and maximum values of the excitation amplitude 

The amplitude of the pressure fluctuations simulated by the 1D model is lower than the experimental 

one. It is confirmed by the auto‐spectra given in Figure 42b and Figure 43b. The peak at the precession 

frequency for the experimental results is more than twice larger than that for the numerical results. 

A wide‐band peak at a frequency of 0.51 Hz is observed in the auto‐spectra of the experimental results. 

This frequency corresponds to the natural frequency f0. A similar peak is observed in the auto‐spectra 

of  the numerical  results at a  frequency of 0.37 Hz, with however a  lower amplitude. This  frequency 

corresponds to the natural frequency predicted by the 1D SIMSEN model with the transposed hydro‐

acoustic parameters corresponding to this operating point 

The values of the RMS and peak‐to‐peak indicators are computed for the pressure signals obtained by 

1D simulation and are compared with  those of  the experimental signals. The comparison  is given  in 

Table 4. For the experimental results, the RMS and peak‐to‐peak indicators are estimated by splitting 

the complete signals into several windows since the pressure fluctuations have a stochastic component. 

 

 

 

0 2 4 6 8 10-6

-4

-2

0

2

4

6∆p / ρg(m)

t(s)

Exp.Sim. (A

max)

Sim. (Amin

)Sim. (A

mean)

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3∆p / ρg(m)

f

(Hz)

Exp.Sim. (A

mean)

frope

f0

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 2 4 6 8 10

∆p / ρg(m)

t(s)

Exp.Sim. (A

max)

Sim. (Amin

)Sim. (A

mean)

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3∆p / ρg(m)

f

(Hz)

Exp.Sim. (A

mean)frope

f0

Page 33: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 33/43 

Table 4 Comparison between experimental and numerical values of the RMS and peak‐to‐peak indicators of pressure fluctuations with different values of source amplitude  

 DT cone (sim.) 

DT cone (exp.) 

Relative Error 

Penstock (sim.) 

Penstock (exp.) 

Relative Error 

RMS 1.12 m ± 0.06 m 

2.32 m  52 % ± 3% 0.82 m ± 0.12 m 

1.82 m  55 % ± 7 % 

Peak‐to‐peak 

3.32 m ± 0.47 m 

7.16 m  54 % ± 7% 2.41 m ± 0.35 m 

5.68 m  58 % ± 7 % 

The relative error between experiments and simulation is comprised between 40 and 54% for the RMS 

value of the pressure signals in the draft tube depending on the value of the amplitude of the predicted 

excitation  source  which  is  used.  Therefore,  the  pressure  fluctuations  are  underestimated  by  the 

methodology presented in this report. 

 (a) Draft tube cone (b) Penstock 

Figure 44 Comparison between numerical and experimental prototype results for pressure fluctuations in the draft tube and penstock with the minimum, average and maximum 

values of the wave speed 

For the results presented above, the mean value of both the wave speed and the bulk viscosity was 

used. However, as explained in Section 4.2, the value of these parameters transposed to the prototype 

scale consists of a mean value and a standard deviation, which is induced by the dispersion of the results 

obtained at the model scale. It is expected that a change in their value may affect the amplitude of the 

simulated pressure signals since that modifies the natural frequency of the system and potentially the 

interaction between the system and the pressure excitation source. 

To highlight  the effect of  the uncertainties on  the wave speed and  the bulk viscosity, a  comparison 

between  the  numerical  results  obtained  with  the  maximum,  average  and  minimum  values  of  this 

parameters is presented in Figure 44. The average amplitude of the excitation source is used in this case. 

The experimental results are also included. 

Table 5 Comparison between experimental and numerical values of the RMS and peak‐to‐peak indicators of pressure fluctuations with different values of wave speed 

 DT cone (sim.) 

DT cone (exp.) 

Error Penstock (sim.) 

Penstock (exp.) 

Error 

RMS 1.12 m ± 0.06 m 

2.32 m  52 % ± 3% 0.82 m ± 0.05 m 

1.82 m  55 % ± 3 % 

Peak‐to‐peak 

3.32 m ± 0.05 m 

7.16 m  54 % ± 1% 2.41 m ± 0.1 m 

5.68 m  58 % ± 2 % 

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 2 4 6 8 10

∆p / ρg(m)

t

Exp.Sim. (a

max)

Sim. (amin

)Sim. (a

mean)

(s)-6

-4

-2

0

2

4

6

0 2 4 6 8 10

∆p / ρg(m)

t

Exp.Sim. (a

max)

Sim. (amin

)Sim. (a

mean)

(s)

Page 34: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 34/43 

The effect of a change of the wave speed and the bulk viscosity within their range of uncertainty almost 

does not affect the amplitude of the simulated pressure signals. It is confirmed in Table 5, which provides 

the value of the RMS and peak‐to‐peak indicators. 

In the draft tube cone, the uncertainty on the RMS value of the simulated pressure signal is ± 0.06 m, 

which corresponds to ± 5% of the mean value. Consequently, the relative error with the experimental 

results remains high and is comprised between 49% and 55% of the experimental results. 

 

   

Page 35: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 35/43 

5 Transposition  of  the  hydro‐acoustics  parameters  and  prediction  of the instability at full load 

5.1 Limits  of  stability  at  full  load  at  the  model  scale  and  comparison  with  on‐site measurements 

Pressure fluctuations were performed on the reduced scale model for 5 different values of the speed 

factor, see Table 3. For each speed factor, the discharge factor is varied from about 116% to 150% of 

the value at the BEP. The Thoma number is set at the rated value of the prototype whereas the Froude 

number is equal to Fr = 8.7, which does not corresponds to the Froude conditions on the prototype. 

For each speed factor, the limits of stability are defined by analysing the pressure fluctuations measured 

in the draft tube cone. When the vortex rope becomes unstable, pressure fluctuations propagates into 

the entire hydraulic circuit at a given frequency, which corresponds to the first eigenfrequency of the 

test  rig.  The  pressure  fluctuations  in  the  draft  tube  at  this  frequency  are  highly  coherent,  with  a 

coherence level equal to Cxy ≈ 1. An example of pressure fluctuations measured in the draft tube cone 

in stable and unstable conditions is given in Figure 45. 

 

Figure 45 Time history of pressure signals measured in the draft tube cone at full load in stable and unstable conditions. 

The limits of stability at full load determined on the reduced scale physical model are given in Figure 46. 

For each nED value, the black point corresponds to the highest QED value for which the system is still 

stable whereas the red point corresponds to the first unstable point. 

 

Figure 46 Limits of stability of the reduced scale model at full load conditions 

 

0 5 10 15 20 25 30-0.05

0

0.05

0.1

Cp(-)

(-)

n × t

Stable

Unstable

0.22 0.24 0.26 0.28 0.30.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

1 2 3

1 Stable operation

2 Transition

3 Unstable operation

Swirl-freenED

QED

(-)

(-)

Page 36: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 36/43 

As described previously, two operating points were tested on the prototype. One was stable whereas 

the second one, which features a lower head value, was unstable. These operating points are reported 

in Figure 47 together with the limits of stability of the machine defined previously. 

 

Figure 47 Limits of stability of the reduced scale model at full load conditions and comparison with stable and unstable operating conditions identified on the prototype 

The stable operating point OP1a measured on the prototype is located in the stable zone identified on 

the reduced scale model whereas the unstable operating point OP1b is located in the unstable operation 

zone. Therefore, the results observed on the prototype seems to be in agreement with the stability zone 

defined on the reduced scale model. That suggests that the stability zone at full  load can be defined 

during model tests and directly transposed to the prototype machine. 

However, this result must be validated. Indeed, the measurements on the reduced scale model were 

performed at the rated σ‐value, which corresponds to the average value of the TWEL over one year. 

During prototype tests, the σ‐value for OP1a was slightly lower whereas the one at OP1b was higher 

than the rated value. The instability may therefore occur for a lower value of discharge factor on the 

prototype  in  the  case  the  Thoma  number  corresponds  to  its  average  value. Moreover,  the  Froude 

number was also lower during prototype tests. 

5.2 Empirical law for prediction of finst. at the model scale 

For all  the operating points  in unstable conditions,  the  frequency of  the  instability  is determined by 

spectral  analysis  of  the  pressure  fluctuations.  The  corresponding  Strouhal  number  are  plotted  as  a 

function of the swirl number in Figure 48. 

Similar  to the results obtained at part  load conditions, the experimental data collapses  in one single 

curve.  It  suggests  that  the  frequency  of  the  instability  can  be  predicted  on  the  complete  full  load 

operating range based on these empirical laws. 

In the following, the hydro‐acoustic parameters of the full load vortex rope are determined for all the 

investigated operating points by applying the procedure already used at part load conditions. It has been 

demonstrated that the empirical laws linking the dimensionless wave speed and bulk viscosity with the 

void fraction are valid for all the operating points, including full load conditions. 

0.22 0.24 0.26 0.28 0.30.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

3

1 Stable operation (model)

2 Transition (model)3 Unstable operation (model)

Swirl-freenED

QED

(-)

(-)

1 2

Stable point (proto)

Unstable point (proto)

Page 37: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 37/43 

 (a) Frequency  (b) Strouhal number 

Figure 48 Frequency of full load instability and the corresponding Strouhal number as a function for the swirl number 

5.3 Determination of the hydro‐acoustic parameters at the model scale 

The wave speed and the bulk viscosity are given in Figure 49 as a function of the swirl number. 

(a) Wave speed  (b) Bulk viscosity 

Figure 49 Wave speed and bulk viscosity on the reduced scale model as a function of the swirl number 

The influence of the Froude influence on the hydro‐acoustic parameters at full load cannot be clearly 

identified as the value of the hydro‐acoustic parameters in Froude similitude (Fr = 5.52) is comprised in 

the range of uncertainties of the results at the higher Froude number. Therefore, the results at Fr = 8.7 

will be directly  transposed and compared with on‐site measurements, although  this Froude number 

does not corresponds to the prototype value.  

   

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

2

4

6

8

10

(Hz) finst

(-)

S = f(nED, QED)

nED

= 0.268

nED

= 0.277

nED

= 0.288

nED

= 0.300

nED

= 0.317

fitting law

nED

= 0.273

(Froude sim.)

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

0.2

0.4

0.6

0.8

1

(-) finstD3/Q

(-)

S = f(nED, QED)

nED

= 0.268

nED

= 0.277

nED

= 0.288

nED

= 0.300

nED

= 0.317

fitting law

nED

= 0.273

(Froude sim.)

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

20

40

60

80Fr = 8.7 (exp.)

Fr = 5.52 (exp.)

Fr = 8.7 (fitting law with

standard deviation)

am(m.s-1)

(-)

S

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

2

4

6

8

10×104

Fr = 8.7 (exp.)

Fr = 5.52 (exp.)

Fr = 8.7 (fitting law with

standard deviation)

(Pa.s)

(-)

S

μm’’

Page 38: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 38/43 

5.4 Transposition of the hydro‐acoustic parameters at the prototype scale 

The wave speed and bulk viscosity transposed to the prototype scale are plotted as a function of the 

swirl number in Figure 50. A power regression fitting law is included together with the corresponding 

standard deviation.  

The natural frequency of the system and the corresponding Strouhal number are finally plotted as a 

function of the swirl number in Figure 51.  

It  is expected to observe full  load  instability at a frequency comprised between 0.32 Hz and 1.23 Hz 

depending the operating conditions. The uncertainties is however higher for the highest values of swirl 

number and corresponds to 8‐15 % of the mean value. 

 (a) Wave speed        (b) Bulk viscosity 

Figure 50 Hydro‐acoustic parameters as a function of the swirl number at the prototype scale at full load conditions 

 

 (a) Frequency       (b) Strouhal number 

Figure 51 Frequency of full load instability and the corresponding Strouhal number as a function for the swirl number at the prototype scale 

   

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

50

100

150

200

250Transposition of model tests results

Fitting law with standard

deviation

ap(m.s-1)

(-)

S

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

1

2

3

4

5Transposition of model tests results

Fitting law with standard

deviation

(Pa.s)

(-)

S

μp’’

×106

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

0.5

1

1.5

2

(Hz) finst

(-)

S

p Results from transposed HA parameters

Fitting law with standard deviation

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

0.2

0.4

0.6

0.8

1

(-) finst

D3/Q

(-)

S

p Results from transposed HA parameters

Fitting law with standard deviation

Page 39: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 39/43 

5.5 Prediction  of  instability  frequency  at  full  load  and  comparison  with  on‐site measurements 

The value of  the  frequency of  the  full  load  instability  is given  in  Figure 52 as a  function of  the  swirl 

number and the discharge factor under the form of power regression fitting laws with the corresponding 

standard deviation. The speed factor is equal to nED = 0.279. The value of the frequency of the instability 

identified during on‐site measurements is also provided. It is included in the range of uncertainty of the 

values obtained by the transposition of the model test results. A deviation of 11 % from the mean value 

of frequency obtained with 1D SIMSEN model is observed. 

 (a) Frequency vs swirl number      (b) Frequency vs discharge factor (nED=0.279) 

Figure 52 Comparison between the predicted frequencies and the one identified by on‐site measurements on the prototype at full load conditions. 

   

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 00

0.5

1

1.5

2

S(-)

f (Hz)f0, pred. f0, exp. (unstable) f0, exp. (stable)

0.24 0.25 0.26 0.27 0.280

0.5

1

1.5

2

QED

(-)

f (Hz)

f0, pred. f0, exp. (unstable) f0, exp. (stable)

Page 40: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 40/43 

6 Conclusions This report presents the transposition of the hydro‐acoustic parameters modelling the cavitation draft 

tube  flow  at  part  load  and  full  load  conditions  from  the  model  scale  to  the  prototype  scale.  The 

cavitation  vortex  rope  is  described  as  an  excitation  source  for  the  hydraulic  system  at  part  load 

conditions  whereas  it  can  enter  self‐excitation  at  full  load  conditions.  It  may  result  in  resonance 

phenomena, inducing pressure surge and electrical power swings. 

For an accurate prediction of pressure pulsations and resonance conditions at part load and full load 

conditions,  a  proper  modelling  of  the  cavitation  draft  tube  flow  is  required.  It  has  already  been 

presented in Deliverable D4.2. The hydro‐acoustic parameters modelling the cavitation draft tube flow, 

such as the cavitation compliance and the bulk viscosity, and the pressure excitation source representing 

the excitation induced by the vortex rope were identified on a reduced scale model. Measurements with 

an external excitation source and numerical simulations with the 1D SIMSEN model of the test rig were 

used for this purpose. The corresponding results were also presented in Deliverable D4.2. 

The transposition of the hydro‐acoustic parameters and the pressure excitation source is the last step 

of  the methodology  developed  in  the  framework  of  the  HYPERBOLE  project  for  the  assessment  of 

hydropower plants stability. To validate the complete methodology, the results of the simulations were 

finally compared to the on‐site measurements performed on the hydropower plant unit. 

However,  the  operating  conditions  during  prototype  tests  did  not  correspond  to  the  investigated 

operating points during model tests in terms of speed factor, discharge factors and Froude number. To 

overcome this problem, it is demonstrated that the influence of both the speed and discharge factors 

on the vortex precession frequency and the test rig natural frequency can be reduced to single curves if 

these frequencies are expressed as a function of the swirl number. 

Based on the value of the natural frequency identified at the model scale, the value of the corresponding 

hydro‐acoustic parameters is determined by using the dimensionless parameters derived by Landry et 

al. [1, 2]. For a given Froude number, the influence of the speed and discharge factors on each hydro‐

acoustic parameters can be reduced to one single curve by expressing this parameter as a function of 

the swirl number. Power regression laws linking the hydro‐acoustic parameters and the swirl number 

were finally derived and transposed to the prototype scale. This enables the prediction of the hydro‐

acoustic  parameters  on  the  complete  part  load  operating  range  of  the  prototype  and  finally  the 

prediction of the resonance conditions and the simulation of the resulting pressure fluctuations in the 

time domain. The same procedure was used at full load conditions for the prediction of the instability 

frequency. 

The results were compared with the measurements performed on the hydropower plant unit and the 

following remarks can be drawn regarding the accuracy of the predictions and simulations performed 

with the 1D SIMSEN model: 

Part load: 

The curve linking the vortex rope frequency and the swirl number is very similar between model and 

prototype, which enables a very good estimation of the vortex precession frequency on the prototype. 

However, the natural frequency of the prototype hydraulic circuit is underestimated by about 0.15‐0.25 

Hz, which  corresponds  to a  relative error of 25%‐32%,  if only  similitude  in  terms of Thoma number 

between model and prototype is considered. Indeed, the value of the wave speed in the draft tube is 

underestimated.  

Page 41: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 41/43 

Different pressure conditions between prototype and model are observed even if similitude conditions 

are fulfilled in terms of speed factor, discharge factor, Froude number and Thoma number, which may 

explain the underestimation of the predicted values for the natural frequency. 

To overcome this problem, a 3‐D mapping of the wave speed at the model scale as a function of the 

swirl number and the local cavitation coefficient (defined in the draft tube cone) is realized, leading to 

a new prediction of  the natural  frequency on  the prototype.  The experimental  results  and  the new 

predicted values are in very good agreement. 

Regarding the amplitude of the pressure source, its value seems to be underestimated by the presented 

method. The modelling of the pressure excitation source in the 1D SIMSEN model might be too simple 

and  it might  be necessary  to  take  into  account  the harmonics of  the precession  frequency.  Further 

investigation will focus on this aspect. 

Full load:  

Even  though  the model  tests were done at  a different  value of  the  Froude number,  the  stable  and 

unstable zones on the model are in good agreement with the ones observed on the prototype (inside 

the uncertainty margins). Moreover,  the  frequency of  the  instability observed during on‐site  tests  is 

comprised  in  the  uncertainty margin  of  the  predicted  values.  Time  domain  simulations  at  full  load 

conditions were  not  performed  since  they  require  the  value  of  the mass  flow  gain  factor, which  is 

neglected in this work. Moreover, the non‐linearity of the wave speed must be included [11] to obtain 

finite fluctuations called “limit cycle”. 

Important findings: 

The  introduction of  the  swirl  number  in  the  analysis  is  an  important  new  insight  for  hydropower 

stability  assessment.  Indeed,  this  enables  the  prediction  of  several  parameters,  including  hydro‐

acoustic parameters and precession  frequency, on  the complete operating  range of  the machine by 

limiting the number of measurements at the model scale. 

Moreover, it is necessary to use similitude in terms of local cavitation coefficient between model and 

prototype to ensure similar cavitation volumes between both scales. Indeed, the classic approach, i.e. 

similitude in terms of Thoma number, does not necessary ensure similar pressure conditions between 

prototype and model.  

To conclude, the methodology developed in the framework of the HYPERBOLE project is a decisive step 

towards  the  complete  assessment  of  hydropower  plants  stability.  Although  different  aspects  of  the 

modelling  must  be  improved,  the  global  methodology  and  the  results  are  promising.  Further 

investigations must focused on the uncertainties for the identification of the pressure source and the 

similitude between prototype and model in terms of pressure level in the draft tube. The project has 

provided a large amount of data that will allow these developments and improvements. 

6.1 Potential impacts of the presented results 

The developed methodology might  lead to the revision of  IEC 60193 standards for model tests  in an 

industrial context. It will enable the prediction of the dynamic behaviour of the full‐scale prototype unit 

on  its  complete  operating  range.  Therefore,  the  numerical  results  provided  by  the  developed 

methodology will allow the operators to extend safely the operating range of hydropower units from 0 

to 100 % of the rated power by avoiding operating conditions putting at risk the stability of the hydro‐

mechanical system and reducing the lifetime of the mechanical components. 

The extension of the operating range of both conventional and reversible pumped storage hydropower 

plants will enable hydropower to play a key role in the integration of new renewable energy sources 

Page 42: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 42/43 

into the electrical grid by providing additional services to the grid and by participating actively to  its 

stabilization. 

Furthermore,  for  both  greenfield  projects  at  their  design  stage  and  refurbishment  projects,  the 

prediction of hydro‐acoustic resonance frequencies will enable the hydraulic equipment manufacturer 

to  avoid  possible matchings  between  these  frequencies  and  the  eigenfrequencies  of  the  hydraulic, 

mechanical, electrical and control components, which might  lead to case of resonance and dramatic 

consequences for the hydropower plant. 

 

 

“This  project  has  received  funding  from  the  European  Union’s  Seventh Programme  for  research,  technological  development  and demonstration under grant agreement No ERC/FP7‐ ENERGY‐2013‐1‐Grant 608532”. 

   

Page 43: 608532 - Hyperbole - Deliverable D4 Documents/Deliverables... · 2020. 7. 22. · FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE Deliverable 4.4 02.23.2017 page 3/43 Report

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 4.4  

 02.23.2017  page 43/43 

7 References  

[1]  Landry C., Favrel A., Müller A., Yamamoto K. and Avellan F. (2016), Local wave speed and bulk flow viscosity in Francis turbines at part load operation, Journal of Hydraulic Research, vol. 54(2) 

[2]  Landry C. (2016), Hydro‐acoustic modelling of a cavitation vortex rope for a Francis turbine, PhD thesis n°6547, EPFL, Switzerland 

[3]  Alligné  S., Nicolet  C.,  Tsujimoto  Y.  and Avellan  F.  (2014),  Cavitation  surge modelling  in Francis turbine draft tube, Journal of Hydraulic Research, vol. 52(3) 

[4]  Alligné S., Nicolet C., Béguin A., Landry C., Gomes J. and Avellan F. (2016), Hydroelectric system response to part load vortex rope, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 49 (28th IAHR Symposium, Grenoble, France)  

[5]  Favrel A., Müller A., Landry C., Yamamoto K. and Avellan F. (2016), LDV survey of cavitation and resonance effect on the precessing vortex rope dynamics in the draft tube of Francis turbines, Experiments in Fluids, vol. 57(11) 

[6]  Favrel A., Müller A., Landry C., Yamamoto K. and Avellan F. (2015), Study of the vortex‐induced  pressure  excitation  source  in  a  Francis  turbine  draft  tube  by  particle  image velocimetry, Experiments in Fluids, vol. 56(12) 

[7]  Gupta A.K., Lilley D.G. and Syred N. (1984), Swirl flows, vol. 1, Abacus Press, UK 

[8]  Müller A., Favrel A., Landry C. and Avellan F. (2017), Fluid‐structure interaction mechanism leading to dangerous power swings in Francis turbines at full load, Journal of Fluids and Structures, vol. 69, p. 56‐71 

[9]  Favrel  A.,  Gomes  J.,  Landry  C., Nicolet  C.  and Avellan  F.  (2017), New  insight  in  Francis turbine  cavitation  vortex  rope:  role  of  the  runner  outlet  flow  swirl  number,  Journal  of Hydraulic Research, article in press 

[10]  Alligné  S.,  Silva P.C.O., Béguin A., Kawkabani B., Allenbach P., Nicolet C.  and Avellan F. (2014), Forced response analysis of hydroelectric systems, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 22 (27th IAHR Symposium, Montreal, Canada) 

[11]  Alligné S. (2011), Forced and Self Oscillations of Hydraulic Systems induced by Cavitation Vortex Rope of Francis Turbines, PhD thesis n°5117, EPFL, Switzerland