Modeling and analysis of material behavior during cavitation erosion
Membres du jury
Mrs. Veronique FAVIER, Professor, Arts et Métiers ParisTech, PIMM, Reviewer
Mr. Sofiane KHELLADI, Professor, Arts et Métiers ParisTech, DynFluid, Reviewer
Mrs. Regiane FORTES-PATELLA, Professor, Univ. Grenoble Alpes, LEGI, Examiner
Mr. Ayat KARIMI, Doctorate, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, ICMP, Examiner
Mr. Marc FIVEL, Director of Research CNRS, Univ. Grenoble Alpes, SIMaP, Supervisor
Mr. Jean-Pierre FRANC, Director of Research CNRS, Univ. Grenoble Alpes, LEGI, Co-supervisor
Mr. Christian PELLONE, Researcher CNRS, Univ. Grenoble Alpes, LEGI, Invited
Résumé
A ce jour il n’est toujours pas possible de prédire avec exactitude le phénomène d’érosion par cavitation. La raison principale est qu’il est difficile de caractériser l’agressivité de l’écoulement. Cette thèse propose d’utiliser une méthode inverse pour estimer l’agressivité de l’écoulement à partir de l’observation des cratères (pits) imprimées sur la surface dans les premiers instants de l’érosion de cavitation. Trois matériaux ont été testés dans la veine d’écoulement PREVERO disponible au LEGI de Grenoble dans les mêmes conditions expérimentales. La géométrie des pits laissés sur la surface est précisément mesurée à l’aide d’une méthode systématique permettant de s’affranchir de l’effet de rugosité. Supposant que chaque pit a été généré par une bulle unique dont le champ de pression est assimilé à une forme Gaussienne, des calculs par éléments finis permettent d’estimer le chargement qui a créé l’empreinte résiduelle. On montre que la distribution des chargements suit une loi universelle indépendante du matériau testé ; le matériau le plus tendre (alliage d’aluminium) mesurant les plus faibles impacts tandis que le matériau le plus résistant (Acier inoxydable) donne accès aux plus grandes pressions d’impact. On en conclu que le matériau peut être utilisé comme capteur de pression mesurant le niveau d’agressivité de l’écoulement. La méthode inverse repose sur une caractérisation mécanique des matériaux prenant en compte la sensibilité de la contrainte à la vitesse de déformation. On montre que les essais de nanoindentation sont mieux adaptés que les essais de compression pour déterminer les paramètres de la loi de comportement, notamment pour l’alliage d’aluminium pour lequel la microstructure est très hétérogène. Des essais de compression à haute vitesse par barres de Hopkinson complètent la loi de comportement en donnant la sensibilité à la vitesse de déformation. Des simulations prenant en compte la dynamique du chargement montrent que des impacts de fort amplitude mais appliqués sur un temps court ne laissent pas d’empreinte résiduelle si la fréquence est plus élevée que la fréquence naturelle du matériau assimilé à un oscillateur amorti. Un mécanisme d’accumulation dynamique de la déformation plastique pouvant conduire à la rupture par fatigue est proposé. Finalement, la courbe de perte de masse est simulée en appliquant aléatoirement sur un maillage 3D, la population d’impacts estimée par la méthode inverse.
Mots clés :
Érosion de cavitation ; Modélisation par éléments finis ; Caractérisation des matériaux ; Mesure de la charge d’impact, Fatigue de cavitation, Prédiction de perte de masse