Expérimentations cavitations et rugosités

Cavitation et état de surface

Cavitation – Généralités

La cavitation : phénomène physique

On appelle « cavitation » (qui vient du mot « cavus » ce qui signifie « trou »), l’apparition de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Lorsque cette dépression est suffisamment élevée, la pression peut devenir inférieure à la pression de vapeur saturante, et une bulle de vapeur est susceptible de naître (figure 1-1). La dépression peut être liée à un écoulement de liquide à forte vitesse, par exemple dans un venturi ou au voisinage d’une pale dans une pompe ou encore sur une hélice de sous-marin. En effet, une accélération de la vitesse de l’écoulement proche d’une surface convexe engendre une dépression locale. On parlera alors de « cavitation hydrodynamique » découverte par Lord Rayleigh en 1917. Elle se caractérise par un sillage de bulles, et/ou par l’apparition d’une couche de vapeur accrochée à une pale (figure 2-1).

Rayleigh – Plesset
Lorsqu’on se penche sur une échelle microscopique, il est intéressant d’approcher le comportement des bulles de cavitation selon les grandeurs physiques suivantes : pression, température et vitesse de d’apparition et de disparition de ces bulles.

Types de cavitation

Cavitation de vortex
La cavitation de vortex peut être attachée ou convectée. Elle se produit, dans tous les cas, sous l’effet de la dépression au cœur des tourbillons. Nous n’évoquerons ici que celle appelée « tourbillon marginal cavitant » qui est ce type de cavitation qui prend naissance à l’extrémité des ailes d’envergure finie (exemple : pales d’hélice). Son intensité se conserve, souvent, sur de très longues distances en aval du plan porteur (figure 2 – 1).

Remarque : On distingue sur cette photo la sinusoïde que créent les bulles de cavitation dans l’écoulement, la cavitation reste accrochée en bout de pales

Le développement d’un tourbillon marginal cavitant, par exemple à l’extrémité d’une aile, est fortement influencé par le confinement induit par la présence d’une paroi. En régime subcavitant, les mesures de vitesses réalisées par anémométrie laser ont montré que le confinement conduit à une augmentation des extrema de vitesse tangentielle, plus marquée côté intrados.

Remarque : on appelle « régime subcavitant », l’état expérimental qui ne présente aucune apparition de bulles de cavitation, cet état peut être proche ou non de la condition d’apparition de la première bulle de cavitation.

L’énergie cinétique de l’écoulement crée en aval (après le col) une zone dépressionnaire avec gradient de pression. Cette zone dépressionnaire vaporise le liquide dans cette région. Dans le cas où la poche se referme sur l’extrados du profil on dit qu’elle est partielle, ce qui lui donne l’appellation évoquée plus haut de « cavitation à poche attachée ». Les poches ne décollent pas du support. Pour ce type de cavitation, qui est particulièrement lié au fonctionnement des turbomachines, les pompes tournent à très grande vitesse. Ces roues, dont la caractéristique principale des pales est une aile, présentent un extrados (fluide en dépression) et un intrados (fluide en surpression). Sur l’extrados se crée une zone de dépression dynamique dans laquelle apparaitra à un endroit un point de pression minimale, ce qui engendre une diminution de l’énergie cinétique. Cette pression peut baisser au point de faire apparaitre la première bulle de vapeur. Dans le cas où le fluide est compressible, les lignes de courant s’en trouvent écartées les unes des autres. Ce « gradient de pression » va abaisser la pression interne de la particule fluide de façon quasi adiabatique et conduire cette particule à l’état de vapeur.

Conséquences en turbomachines

Pertes de performances
Sur les turbomachines, les conséquences dues à la cavitation sont propres à leur fonctionnement. En effet, on parle de « chute des caractéristiques de la pompe » qui est une conséquence directe de l’apparition des bulles de cavitation. Les poches cavitantes sont diphasiques ayant une proportion en gaz plus importante, ce qui entraîne une chute des performances d’aspiration des pompes ; cela occasionne une impossibilité à la machine de débiter un débit (Q) nominal pour une « hauteur d’aspiration » donnée. Pour des poches de vapeur encore plus développées, les pompes subissent des chutes de leurs performances (hauteur totale d’élévation, rendement, puissance) qui les rendent inutilisables ; ce phénomène est souvent décrit comme étant « la chute des caractéristiques ».

Vibrations
Lorsque les poches de cavitation à l’entrée de la pompe atteignent des dimensions relativement importantes vis-à-vis de la taille de la pompe et du niveau de pression à l’entrée de la roue, une augmentation du niveau des vibrations, due à la cavitation peut se rencontrer. Un phénomène d’interaction de résonnance vibratoire peut se rencontrer entre la pompe en régime de cavitation et le circuit sur lequel elle débite.

Bruit de cavitation
Ce phénomène physique engendre la naissance de bulles qui s’effondrent très rapidement générant des bruits intenses. Dans des conditions extrêmes, on a pu mesurer des niveaux de bruit aérien de 125 dB(A) à un mètre d’une zone de cavitation dans un écoulement d’eau à 60 m/s [39]. Cette implosion engendre des ondes qui peuvent détruire certaines surfaces. L’accumulation de vapeur engendre des chutes importantes de leurs performances hydrodynamiques. Ces chutes peuvent les rendre totalement inutilisables.

Erosion des aubages
De nombreuses recherches ont été menées afin de déterminer les raisons pour lesquelles, les aubages des turbomachines se détériorent en présence du phénomène de cavitation.

Cependant la part du bruit qui incombe directement à la cavitation ne représente qu’une faible partie du bruit rayonné par les pompes. Les implosions répétées des poches de cavitation, qui se produisent près des parois métalliques, altèrent progressivement la structure cristalline dans le cas des alliages métalliques ou les matériaux d’autres natures (plastiques) et peuvent détruire très rapidement les aubes de la roue (figure 2 – 5).

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Table des matières

1. Introduction générale
2. Cavitation et état de surface
2.1. Cavitation – Généralités
2.1.1. La cavitation : phénomène physique
2.1.2. Types de cavitation
2.1.3. Conséquences en turbomachines
2.1.4. Quelques définitions et ordres de grandeur
2.2. Hydrodynamique et rugosités
2.2.1. Rugosités
2.2.2. Influences de la rugosité dans les écoulements hydrauliques
2.2.3. Couche limite turbulente sur plaque plane
2.3. Etat de surface et hydrodynamique
2.4. Expérimentations – cavitations et rugosités
3. Moyens et outils
3.1. Veine d’essai
3.2. Description du Venturi
3.3. Visualisations
3.3.1. Caméra CamRecord 600
3.3.2. Eclairage – Lampe LED
3.4. Mesure du champ de pression pariétale – Chaîne de mesure
3.5. Vélocimétrie Doppler laser (LDV)
3.6. Présentation des « cycles typiques »
4. Résultats
4.1. Analyse du cas de référence : plaque lisse L0
4.2. Effets des plaques rainurées
4.2.1. Effets des rainures longitudinales sur les tailles des poches cavitantes
4.2.2. Identification de deux régimes de cavitation
4.2.3. Mesures du champ de pression
4.2.4. Effets des surfaces rainurées sur un écoulement non-cavitant
5. Conclusion Générale
ANNEXES