Cet axe regroupe les recherches sur la cavitation acoustique et hydrodynamique. La cavitation hydrodynamique est étudiée à toutes les échelles, des micro-réacteurs jusqu’aux turbines, aux bas nombres de Reynolds en écoulement laminaire jusqu’aux très hauts nombres de Reynolds en régime turbulent. L’érosion de cavitation concerne naturellement les turbomachines. La cavitation acoustique est pilotée en lien avec l’intensification des transferts. Les effets thermodynamiques, la chimie et la production radicalaire, l’influence de la force magnétique, l’application au génie des procédés constituent quant à eux un ensemble autonome. La cavitation est une activité fédératrice de l’équipe, puisqu’elle interagit avec les deux autres axes scientifiques. Deux doctorants et quatre post doctorants ont participé à cette activité. Des collaborations locales, nationales et internationales ont été établies ou poursuivies avec la direction technique d’EDF Grenoble et les laboratoires Simap, Gipsa Lab, CEA, ILM, Institut Pprime.
F. Ayela, C. Bret, O. Bulliard-Sauret, D. Colombet, S. Ferrouillat, R. Fortes – Patella
La cavitation est un des trois axes de recherche de l’équipe Énergétique, en adéquation avec les activités sur les turbomachines et celles sur l’intensification des transferts. Les phénomènes de cavitation traduisent les changements de phase liquide – vapeur et vapeur – liquide consécutifs à une chute puis à une remontée soudaine de la pression d’un fluide de part et d’autre de sa valeur saturante. La cavitation acoustique est pilotée par une onde acoustique tandis que la cavitation hydrodynamique résulte du principe de Bernoulli.
La cavitation acoustique est appliquée pour l’étude de l’intensification des transferts (cf. axe intensification). La cavitation hydrodynamique macroscopique est historiquement une activité du LEGI reconnue à l’échelle internationale ; à la présentation des résultats faite dans l’axe ‘turbomachines’, on rajoutera ici une nouvelle collaboration expérimentale avec le Gipsa Lab pour prospecter le développement de l’érosion de cavitation de façon non intrusive, à l’aide d’émetteurs ultrasonores et de transducteurs piezoélectriques. Toujours dans le domaine de l’érosion de cavitation, la simulation avec changement de phase à l’échelle d’une bulle à proximité d’une paroi a confirmé des phénomènes connus (déformation asymétrique de la bulle à proximité des parois, cavités gazeuse toroïdales, ondes de pression) et a apporté un éclairage nouveau sur l’interaction entre onde de pression et dynamique des bulles, qui pourrait être un facteur déterminant dans le phénomène d’érosion.
L’approche expérimentale de la cavitation hydrodynamique a été enrichie ces dernières années par la cavitation hydrodynamique ‘sur puce’, c’est-à-dire au cœur de microsystèmes fluidiques. À l’aspect purement mécanique de l’implosion d’une bulle et de ses effets néfastes (onde de choc, érosion) s’ajoute dorénavant une approche physique (hydroluminescence, effets thermodynamiques, rôle de champs magnétiques intenses), chimique (chimiluminescence, production de radicaux hydroxyles, dégazage), ingénierie des procédés (exfoliation de particules, intensification des transferts), approche qui avait été appréciée favorablement lors de la précédente évaluation. La forme et la dynamique des bulles de vapeur avant et pendant l’implosion, le taux et la nature des gaz incondensables présents, sont les paramètres importants pilotant ou étant pilotés par les phénomènes physiques cités. Notre équipe a ainsi élargi le spectre des sujets couverts par la cavitation et le LEGI a pu intégrer le GDR Cavitation en 2019.
La cavitation hydrodynamique sur puce constitue-t-elle un procédé concurrentiel de la cavitation acoustique pour la sonochimie et le traitement des polluants ? L’implosion transforme la vapeur d’eau présente dans une bulle selon H20 -> H + OH°, ce dernier radical étant susceptible de réagir avec le polluant soit dans la bulle si ce dernier est hydrophobe, soit dans le liquide après diffusion du radical OH. Par rapport aux réacteurs à ultrasons, les systèmes hydrodynamiques ont l’avantage de mettre en jeu moins de paramètres : le profil géométrique d’écoulement et la pression du fluide en amont permettent à eux seuls de fixer des conditions de cavitation qui sont ainsi facilement reproductibles. Néanmoins, la production de radicaux hydroxyles dans un écoulement cavitant n’avait jamais été directement démontrée. Le luminol est une substance connue pour ses propriétés de chimie-luminescence en présence de réactifs oxydants. Soumise à un champ acoustique intense, une solution de luminol émet une faible lumière bleutée, signature de réactions d’oxydation causées par le radical hydroxyle OH°. Nous avons eu l’idée d’appliquer la CHP à une solution de luminol dans un environnement préservé de la lumière extérieure. Une campagne de mesures, effectuée à Grenoble grâce à un PEPS CNRS ‘ingénierie verte’ et au financement par TEC XXI du postdoctorat de L. Perrin (2019) a, pour la première fois, mesuré quantitativement la présence de radicaux et a permis de comparer la chimiluminescence du luminol réagissant avec les radicaux hydroxyles, à la luminescence causée par l’ionisation des atomes de gaz rares présents dans les bulles. Parallèlement et en collaboration avec l’ILM, nous avons pu cartographier conjointement la zone de production des radicaux et la zone de vapeur. La conclusion que nous dégageons de ces premières mesures quantitatives de radicaux hydroxyles en cavitation hydrodynamique, est que le volume de la poche de vapeur à l’origine de l’émission des bulles, ainsi que les transferts entre phases liquide et vapeur, sont les paramètres déterminants pour rechercher une augmentation de la production de radicaux hydroxyles par cavitation hydrodynamique.
Cartographies en aval d’un micro-diaphragme du taux de vide (à gauche, mesuré par thermofluorescence de nanoparticules hydrophiles) et de la chimiluminescence du luminol due aux radicaux OH° (à droite, superposée avec image optique) pour différentes pressions relatives amont ; le maximum de luminescence coïncide avec l’extrémité des poches de vapeur.
Nous avons engagé en 2024 une nouvelle collaboration avec l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule. L’objectif est de s’appuyer sur la spectroscopie d’émission utilisée par le laboratoire pour sonder la cavitation acoustique créée par les ultrasons, et de l’appliquer à la cavitation hydrodynamique grâce à l’utilisation des réacteurs sur puce.
Le phénomène de super-cavitation possède quant à lui d’autres aspects fondamentaux comme les effets thermiques associés aux changements de phase, et dont les applications peuvent irriguer les domaines civils et de défense, comme dans le cas de l’écoulement autour d’une torpille. L’équivalent miniaturisé d’une torpille a été microfabriqué. Cette configuration microfluidique permet de travailler avec des nombres de Froude (Fr = U2/gL où L est la longueur caractéristique de l’objet et U sa vitesse relative /eau) élevés, comme en situation réelle. Les clichés reportés sur la figure ci-dessous présentent une image (caméra rapide) en situation d’écoulement supercavitant (écoulement de la droite vers la gauche), et une cartographie de la répartition de la température en aval de la torpille, enregistrée par spectroscopie avec ensemencement de molécules thermofluorescentes.
Image de l’écoulement supercavitant autour d’une micro torpille de 1mm de large et 359 de profondeur (les zones grises sont des poches de vapeur) et cartographie thermique relative.
On observe pour la première fois une zone de fort refroidissement du liquide en aval de l’objet, conséquence de l’énergie puisée par la partie de liquide qui a changé de phase. La proximité de cette zone avec la partie solide nous laisse penser que cette énergie n’est pas puisée à l’eau mais, et ceci serait un fait marquant majeur, à la partie solide qui ayant une plus faible chaleur spécifique subirait un refroidissement marqué. Nous allons tester d’autres géométries avec d’autres capacités thermiques pour confirmer ou infirmer cette hypothèse.
Une autre action est consacrée au rôle d’un champ magnétique et d’un gradient de champ magnétique intenses appliqués à un écoulement cavitant. L’eau étant un fluide diamagnétique, les effets de la force magnétique volumique , ne peuvent être conséquents qu’en présence de fortes inductions B. L’étude exploratoire systématique de l’influence d’une induction magnétique intense, appliquée au niveau de la zone de cavitation et perpendiculairement au sens de l’écoulement, est motivée par les considérations suivantes. La déformation de l’interface liquide/vapeur des bulles de cavitation pourrait modifier leur dynamique d’implosion, avec des conséquences inattendues concernant l’érosion de cavitation ou la production radicalaire. Par ailleurs, la force de Lorenz pourrait avoir une influence sur le plasma et l’hydroluminescence. Enfin, les phénomènes de dissolution et de dégazage de certains gaz (comme l’oxygène) sont modifiés par de fortes inductions. Les références sur ce sujet sont rares et anciennes. La CHP ouvre ainsi une opportunité unique d’étudier le rôle d’une induction magnétique. Ce programme, en collaboration avec O. Budenkova du Simap (pour la partie modélisation), bénéficie du soutien de G-INP Carnot Énergie et de l’UGA, qui financent la thèse Y. Bouzehouane (soutenance décembre 2025). Nous avons observé sur différents réacteurs de type ‘microdiaphragme’ un retard systématique du déclenchement de la cavitation en présence d’un champ de 0,6 T. Les oscillations des poches de vapeur en aval de micro venturis sont également affectées par l’aimant à l’origine du champ. Une campagne sur une bobine supraconductrice délivrant une induction de 8T, a confirmé ces phénomènes qui restent à analyser.
Exemple du retard de l’apparition de la transition d’un écoulement monophasique liquide (dots vides) vers un écoulement cavitant (dots pleins) en aval d’un micro-diaphragme, en présence d’un champ magnétique de 0,6T et d’un gradient de 120 T/m perpendiculaires à l’écoulement.
Les microsystèmes cavitants peuvent être appréhendés comme étant des laboratoires sur puce inédits pour l’étude des applications au génie des procédés de différents aspects de la cavitation. En effet, l’efficacité d’un procédé fluidique dépend du rapport entre la production d’un élément et la puissance hydraulique ∆P.qv où ∆P est la différence de pression appliquée et qv est le débit volumique. Lorsque la production associée au procédé est proportionnelle à ∆P, les procédés microfluidiques deviennent énergétiquement avantageux. Au terme d’une thèse consacrée à l’exfoliation de graphène et du dépôt d’un brevet, nous avons engagé un processus de valorisation soutenu par la SATT Linksium (projet Grenoble Green Graphène, recrutement de S. Ponomareva en tant qu’ingénieure valorisation). Malgré les perturbations causées par la crise sanitaire du printemps 2020, l’objectif de passer d’un niveau TRL 3 à TRL 6 avec la livraison d’un démonstrateur produisant 1L de graphénofluide par jour a été atteint. Ces graphénofluides présentent des caractéristiques anti-usure plus fortes que celles du liquide de base, ainsi que des propriétés de lubrification supérieures à tout lubrifiant aqueux tout en ayant des capacités à résister à la corrosion. Pour progresser dans l’exploitation du graphénofluide (extraction de la phase solide dans un solvant, concentration, création d’additifs), nous avons monté un nouveau projet de maturation avec le LGP2, qui regardera également la plus-value apportée par l’utilisation de nanocellulose comme alternative au surfactant. Par ailleurs, deux partenaires extérieurs, intéressés par le projet, ont engagé une démarche d’incubation ayant abouti début 2025 à la création de la start-up Deep Tech ‘Madcap Nano’ (Microfluidic Advanced Cavitation Processes). Enfin, une autre action de valorisation fondée sur un second brevet consacré au dégazage de liquides en écoulements microfluidiques, a été amorcée fin 2024.
Cavitation is a state change with latent heat exchange and, in collaboration with the ILM, we were able for the first time to highlight the thermal effects associated with these changes on water, thanks to the seeding of thermofluorescent nanoparticles and the use of microreactors in the installation of a confocal microscope. Liquid cooling zones where the vapour is created and heating zones where the bubbles implode have been visualized. We have experimentally found that the position of these zones depends strongly on the flow regime, and these findings have been validated by a first numerical study. Cavitation is a locally violent physical phenomenon and the implosion of bubbles can dissociate water molecules into H° and OH° radicals. The production of OH° hydroxyl radicals can be applied to advanced pollutant oxidation processes. Acoustic cavitation, through its sustained bubble formation mode, creates hydroxyl radicals. But the effectiveness of hydrodynamic cavitation for sonochemistry has always been questioned, due to the lack of concrete quantitative results. A second highlight of our team is that for the first time we were able to quantify the rate of production of OH° radicals in a cavitating flow, using luminol (chemiluminescent compound reacting to the presence of OH°) as a working fluid in microreactors coupled to a photon counter[Podbevsek 2018]. This research continues by coupling and correlating the experimental measurement of sonoluminescence with that of chemiluminescence (L. Perrin, TEC21). On a more applied subject, hydrodynamic cavitation on a chip has made it possible to develop an economical and ecological process of exfoliation of graphite in graphene (X. Qiu) patented[Qiu et al. 2017 & 2019]. This work continues as part of a maturation project funded by SATT Linksium (Grenoble Green Graphenofluid, Dr S. Ponomareva, see document GGG ). Finally, research programs are also underway with the CEA’s Low Temperature Department (cavitation of cryogenic fluids) and the IGE (degassing of liquid from melting ice cores, paleoclimatology).