Quantification expérimentale et numérique de l’agressivité de cavitation
Résumé
La cavitation est un enjeu majeur dans de nombreux systèmes hydrauliques à cause des chutes de performances, des vibrations et de l’endommagement qu’elle peut générer. Cette thèse est dédiée au phénomène d’érosion par cavitation et vise à proposer des outils pour quantifier le potentiel érosif d’un écoulement cavitant.
La géométrie retenue est celle d’un hydrofoil symétrique basé sur un NACA0015 avec une partie plane entre 27% et 70% de la corde pour faciliter la mise en place de capteurs. L’étude se focalise sur une cavitation par poche oscillante se développant au bord d’attaque de l’hydrofoil. Les essais sont réalisés dans le tunnel hydrodynamique du LEGI, rénové en partie pour répondre aux nouveaux besoins de cette thèse. En parallèle, des calculs numériques sont menés avec le code de calcul 2D instationnaire cavitant IZ développé au LEGI.
L’écoulement cavitant est analysé sur la base de vidéos rapides et de simulations numériques. Cette analyse permet de déterminer la dynamique de la poche, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers, ainsi que l’influence des paramètres hydrodynamiques (vitesse de l’écoulement, incidence du profil, nombre de cavitation) sur le comportement de la poche. De forts effets tridimensionnels observés expérimentalement rendent difficile la prévision de la dynamique de la poche avec le code bidimensionnel. Cependant, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers sont bien prévues numériquement. Une matrice de huit capteurs PVDF, de surfaces actives 2x2 mm2, est fabriquée et collée sur l’hydrofoil entre 30% et 67% de la corde. Cette instrumentation permet de mesurer les pics de pression dus à l’implosion des structures de vapeur à une fréquence d’acquisition de 10 MHz sur huit voies en simultané.
L’agressivité de l’écoulement cavitant est déterminée expérimentalement à partir de la distribution de la fréquence des pics de pression en fonction de leur amplitude. Numériquement, un paramètre d’agressivité est défini à partir d’un modèle développé précédemment au LEGI. Il permet d’estimer une agressivité instantanée et moyenne à la surface de l’hydrofoil. Des études locales sur l’agressivité instantanée et moyenne numériques permettent d’identifier l’origine des zones les plus agressives. Une comparaison qualitative entre expérience et numérique montre que le calcul numérique surestime l’agressivité au voisinage du bord d’attaque. Globalement, les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord pour une faible incidence et montrent que la zone de plus forte agressivité est localisée au niveau de la fermeture de poche et que la vitesse de l’écoulement a une forte influence sur le niveau d’agressivité.