Financement : projet européen ITN CaFE
Collaborations : J.-P. Franc, équipe Energétique, et M. Fivel, SIMAP
La thèse est organisée autour du développement d’un modèle numérique d’interaction fluide - structure pour simuler la déformation induite dans un matériau solide lors de l’implosion de bulles de cavitation. Le solveur est développé à partir du code open source SPHYSICS_2D utilisant la méthode des Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH). Dans cette thèse, le code 2D a été modifié pour traiter le cas de fluides en conditions 2D-axisymétrique. Le solveur solide SPH a été complètement développé en interne en 2D-axisymétrique avec un nouveau schéma pour résoudre les problèmes apparaissant à proximité de l’axe de symétrie. Une loi de comportement élasto-visco-plastique de type Johnson Cook est implémentée dans le solveur solide afin de prendre en compte l’effet de la vitesse de déformation sur l’écrouissage du matériau.Les applications du solveur FSI traitent le cas d’une bulle unique implosant au voisinage d’une surface solide. Deux cas sont envisagés : celui d’une bulle détachée de la surface solide pour laquelle l’effondrement génère une onde de choc ; et celui d’une bulle au contact de la surface pour lequel un micro-jet de liquide vient impacter la surface solide. Pour une taille de bulle donnée, les résultats montrent que le micro-jet peut produire deux fois plus de déformation plastique que l’onde de choc, réduisant ainsi le temps d’incubation. Par contre, le volume de matière déformée plastiquement dans le cas du micro-jet (cavité attachée) est 800 fois plus petit que celui déformé par l’impact d’une onde de choc (cavité détachée). Par conséquent, la capacité d’érosion d’une cavité détachée est beaucoup plus élevée que celle d’une cavité attachée. Un important résultat de cette étude concerne les cavités détachées où il est montré que la déformation plastique ne se produit pas au centre de l’effondrement mais à un décalage par rapport à l’axe de symétrie (voir figure ci-dessous). Les résultats montrent également que même si la pression subie par le matériau est la plus élevée au niveau de l’axe de symétrie, la déformation plastique ne sera pas maximale à cet endroit mais dans une zone éloignée du centre. Nous Une étude paramétrique est menée pour quantifier les effets de la distance bulle/paroi, de la pression d’effondrement et du rayon de la bulle. Les résultats montrent que l’énergie totale absorbée et le taux d’érosion devraient être plus élevés pour une cavité détachée que pour une cavité attachée. La densité d’énergie absorbée (d’où le temps d’incubation) et l’énergie totale absorbée (d’où le taux d’érosion) augmentent avec la pression d’effondrement. Le changement du rayon de la bulle tout en gardant les autres paramètres constants n’affecte pas beaucoup l’amplitude de la déformation plastique ni la densité d’énergie absorbée, ce qui suggère que quelle que soit la taille de la bulle de cavitation, le temps d’incubation devrait rester similaire. Cependant, comme le volume de la zone déformée plastiquement varie presque linéairement avec la taille de la bulle, l’énergie totale absorbée ou le taux d’érosion augmente significativement avec la taille de la bulle.Dans le passé, les études similaires n’ont jamais pris en compte la sensibilité à la vitesse de déformation dans le modèle de plasticité. Nos simulations montrent que l’ampleur de la déformation plastique est alors surestimée d’environ 60% pour les cavités détachées présentées dans ce document et d’environ 200% pour les cavités attachées. Nous montrons ainsi que de telles études réductrices fondées sur des modèles de plasticité insensibles à la vitesse de déformation conduisent à une sous-estimation du temps d’incubation et à une surestimation du taux d’érosion.
Publications
Peer-reviewed Publications
2020
2019
Conference Proceedings
2018