Apparition de la cavitation

Comme il a été précédemment signalé, La cavitation est la formation de poches ou bulles de vapeur au sein d’un milieu liquide initialement homogène. Elle se traduit par la

rupture du milieu continu de liquide, sous l’effet de contraintes excessives amorcées par des

inclusions de gaz et de vapeur présents au sein du liquide. Ces inclusions existent réellement, et leur taille est comprise entre le µm et le ½ millimètre, de sorte que la tension superficielle les contraint à garder une forme sphérique. Ces microbulles sont appelées germes de cavitation. Elles sont présentes sur les parois et dans la masse du liquide. On introduit donc la notion de « taux de vide » : rapport des volumes de gaz et du liquide. Ce taux de vide est très petit. Une eau qui contiendrait 100 germes de Ø 0.1 mm par cm3, aurait un taux de vide de

l’ordre de 0.52 10-4_{. Cela ne modifiera que de manière insignifiante la masse volumique du} liquide, l’effet sur la compressibilité ou sur la vitesse du son. Par contre cela aura un impact

important sur la localisation et la possibilité de cavitation. L’existence des germes de

cavitation, montre qu’un gaz est présent sous deux formes au sein d’un milieu liquide, soit

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le réseau de molécules de liquide), soit sous forme de gaz occlus (au sein de microbulles limitées par des interfaces bien définies).

 Effets de la cavitation.

Sans prétendre donner une liste exhaustive des effets nuisibles qui résultent du phénomène de la cavitation, on peut citer :

 Le bruit résultant d’une onde de coup de bélier de type sonore est souvent la

manifestation de la cavitation. Quand une cavité entrainée dans un écoulement passe par une zone où la pression augmente de nouveau, elle se résorbe brutalement, ce phénomène est connu sous le nom de collapsus de la cavité. Lorsque cette cavité se

trouve au voisinage immédiat d’une paroi solide, son collapsus entraine des vitesses et

des pressions intenses, ce qui permet de générer cette onde de coup de bélier qui peut

subir une atténuation à cause de la présence d’une quantité suffisante de gaz.

 La cavitation par érosion résulte de l’implosion et explosion des cavités près des

parois. Cet effondrement de bulles de vapeur, est appelé aussi, collapsus des cavités.

Lorsqu’une surface est le siège des collapsus répétés, elle commence par prendre un aspect de peau d’oranges puis, après arrachement de la matière, un aspect d’éponge, avant d’être finalement transpercée de part en part, ce qui permet d’augmenter la rugosité de l’état de surface et minimise le degré de performance du composant

hydraulique (Fig I-5).

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Figure I-6 : Érosion d'une aube de roue de Kaplan due à la cavitation marginale

Dans le cas de la cavitation par ultrasons, un liquide doté de micro-domaines fragiles appelés germes de cavitation donne lieu au bulles de gaz ou de vapeur. Ces entités empruntent

leur énergie d’un champ de pression ultrasonore. Sous l’effet de ces surpressions, les bulles grossissent et par dégazage elles montent à la surface. En cas d’intensité assez forte, on a une

suspension stable des bulles et, à la résonnance, il se produit un bruit et si cette pression est

plus forte, les bulles deviennent instables et s’effondrent en restituant une énergie sous forme d’onde de choc. Ce bruit intense est un symptôme indiquant l’apparition de la cavitation. Il est facilement détectable que l’observation visuelle des bulles. Ce phénomène peut être utilisé

pour la détection de la cavitation dans les composants hydrauliques tels que les pompes et les vannes et son intensité pourrait permettre une estimation sur le degré d’endommagement de ces instruments.

 Intérêts de la cavitation en milieu industriel

Parallèlement aux effets néfastes qu’elle peut produire, la cavitation peut contribuer de

manière assez remarquable à la chute des performances mécaniques hydrauliques. Plusieurs études ont été réalisées sur des installations expérimentales liées à ce sujet.

À côté de ces inconvénients, on peut exploiter les techniques de concentration d’énergie sur de petites surfaces et correspondant aux pics de pression, dans le domaine industriel [14]. On peut, particulièrement, citer :

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 Le nettoyage des surfaces par ultrasons. On peut s’en servir pour nettoyer les surfaces. Cette technique est surtout utilisée dans le domaine de dentisterie, des surfaces peuvent être nettoyées par jets cavitants.

 La dispersion des particules dans le liquide.

 La production d’émulsions. La technique d’émulsions par ultrasons sert de catalyseur pour des réactions chimiques comme l’hydrogénation, la cristallisation. La

sonochimie est largement utilisée dans le domaine de la chimie industrielle [15-18].

 Le massage thérapeutique.

 La destruction des cellules vivantes et des bactéries, des virus peuvent être neutralisés en utilisant la cavitation acoustique par destruction des cellules qui sont infectées [19].

 Le dépôt par électrolyse.

Par aspiration, la tension est responsable de la montée de la sève dans les arbres, même à des hauteurs assez importantes, jouant ainsi le rôle de pompe. La circulation de celle-ci se fait souvent à travers des éléments conducteurs permettant son acheminement vers les feuilles

des arbres en traversant plusieurs mètres pour les atteindre. L’ascension est d’autant plus grande que le diamètre des conduits est petit. A titre d’exemple, l’eau peut atteindre une

hauteur de 3m pour un diamètre de 10 µ m dont la surface est supposée parfaitement

mouillante. La nutrition des feuilles d’arbres depuis les racines se trouvant au sol nécessite un milieu conducteur appelé xylème, c’est un tissu à travers lequel se produit l’ascension de la

sève. Le xylème est constitué essentiellement de sève prélevée des racines avec une teneur en minéraux à faible concentration. Le chemin opposé est assuré par le phloème qui transporte

les produits organiques aux cellules vivantes de l’arbre pour les nourrir.

En cas de sécheresse ou au cours d’une dépression enregistrée dans le xylème, la sève

devient sous un état métastable et sera prédisposée à la cavitation. Des bulles formées croissent par nucléation pour avoir des volumes macroscopiques. Des poches de vapeur peuvent avoir lieu dans une colonne de la sève conduisant de ce fait à la rupture du chemin de

l’eau et l’irrigation de l’arbre. Ceci a un impact sur la nutrition des feuilles dans les branches de l’arbre.

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II.4

Types de cavitation.

On peut distinguer deux types de cavitation selon la teneur de gaz dans le liquide [20] :

 Dans le cas des liquides contenant du gaz dissous, une réduction de la pression dans

une zone est responsable à la formation de cavités de gaz sous l’effet de la présence de germes. Ces germes sont à l’origine des impuretés qui peuvent exister dans les fluides

industriels. Ce sont des microbulles qui peuvent contenir éventuellement du gaz dissous et de vapeur. Ces cavités formées évoluent lentement par phénomène de diffusion du gaz dissous depuis le liquide. Ce phénomène est connu sous le nom de cavitation gazeuse.

 Lorsque la pression chute en deçà de la pression de vapeur du liquide, les cavités

augmentent rapidement par évaporation, c’est le phénomène de la cavitation

vaporeuse. La quantité de gaz libre dans le liquide est supposée négligeable, comme dans le cas de la plupart des systèmes industriels [4, 5].

La disparition de ces cavités entraine des pressions intenses qui s’appliquent sur des

surfaces réduites, et qui peuvent endommager les faces métalliques en contact avec le liquide. Plusieurs études se sont intéressées au modèle de séparation de colonnes. A ce titre, on

peut citer, en particulier, les travaux d’Anton Bergant [7] qui a mis le point sur une étude

détaillée concernant le phénomène du coup de bélier et la séparation de colonnes. La chute de pression et les événements du coup de bélier qui en résulte, ainsi que la séparation de colonnes qui peut les accompagner étaient les principales préoccupations des chercheurs

depuis le vingtième siècle. Les causes qui peuvent en donner naissance, la fermeture d’une vanne, l’arrêt d’une pompe entrainent une variation significative de la pression au cours du régime transitoire. Lorsque les colonnes d’eau se rejoignent, et les cavités de vapeur s’effondrent, une grande pression peut apparaitre, comme elle peut apporter des

endommagements et affectent les performances des composants du système hydraulique. Joukowsky était le premier depuis 1900 qui a mis en évidence la présence du phénomène physique de colonnes, les premiers modèles mathématiques de la formation et de collapsus de la vapeur ont été fondés en 1930 en se basant sur des méthodes graphiques.

Dans le cas de la cavitation vaporeuse, lorsque la pression chute en deçà de la valeur de la pression de vapeur saturante du liquide, il y a phénomène de cavitation. Les cavités peuvent

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être formées d’une manière dispersée ou groupées en une seule ou/et en cavités multiples

placées en des points équidistants le long de la conduite. Un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur est supposé établi grâce au transfert rapide de la quantité de mouvement entre les deux phases est qui est dû au gradient qui existe entre les vitesses des deux phases, ceci

laisse supposer qu’il n’y a pas de vitesses relatives entre les deux phases ainsi que la pression

est la même.