1.3 Couplage fluide-structure : vers l’érosion de cavitation
1.3.1 Erosion de cavitation et mécanique des fluides
La majorité des calculs d’implosion de bulles sont limités au calcul d’une bulle ou
de quelques bulles simultanément. Cependant, les travaux de Rossineli et al. [52]
ont ouvert des possibilités sur la simulation de nuages de bulles. Lors de la
re-mise du prix Gordon Bell 2013, ils ont présenté la simulation de l’implosion d’un
nuage comportant 15 000 bulles, visible en figure 1.7. Cette simulation a nécessité
de nombreux développements informatiques afin de fonctionner. À présent les
au-teurs ambitionnent de coupler ces simulations multi-implosions avec des modèles
d’érosion de cavitation et de rendre leurs simulations plus réalistes (beaucoup
d’hy-pothèses simplificatrices ont été apportés pour obtenir ce calcul informatiquement
performant). Ceci offrirait une possibilité de prédiction d’érosion très intéressante
pour des applications industrielles.
Figure1.7 – Implosions multiples de bulles [52].
Cette étude s’est principalement intéressée à l’écoulement à l’origine du phénomène
d’érosion plus qu’à l’érosion en elle-même. Néanmoins, les travaux visant à
mo-déliser l’érosion de cavitation à partir du fluide sont aujourd’hui nombreux. Ces
travaux sont basées sur des simulations à l’échelle macroscopique de l’écoulement
cavitants. Les implosions de bulles, qui sont responsables de l’érosion, se déroulent
à l’échelle microscopique. Dans les cas présentés, des modèles macroscopique de
ca-vitation chercheront à représenter au mieux ces phénomènes d’implosion. Dans une
grande partie des cas, la modélisation de l’érosion de cavitation suivra une même
ligne directrice : 1. La modélisation d’un écoulement cavitant autour d’une
géomé-trie adéquate, 2. la définition des zones de contact entre cavitation et interface avec
le solide, 3. l’évaluation de l’agressivité de la cavitation par comparaison entre un
paramètre de l’écoulement et un critère d’érosion du solide. Cette étape est la clé,
car le choix du critère d’érosion va mettre en avant l’influence d’un ou plusieurs
pa-ramètres de l’écoulement et de l’implosion de bulles. Chaque étude présentée dans
la suite du paragraphe proposera une caractérisation de l’érosion de cavitation par
un paramètre de l’écoulement différent.
Dans l’étude d’Hidalgo et al. [24], l’érosion sur un profil de NACA0015 est
consi-dérée à partir de l’énergie potentielle générée par l’implosion de bulles. À chaque pas
de temps, les contraintes générées par la cavitation sont calculées pour chaque cellule
contenant de la vapeur. Ces contraintes sont comparées à une valeur seuil définie
comme étant la résistance du solide à l’érosion obtenue expérimentalement. Si la
contrainte est supérieure, le solide sera susceptible d’être érodé à chaque instant ou
la contrainte se maintiendra au-dessus de la valeur seuil. Cette méthodologie permet
d’avoir une localisation précise des zones susceptibles d’être érodées. Cependant, elle
ne permet pas de quantifier cette érosion.
Dans l’étude de Peters et al. [48], la mesure de l’érosion passe par l’évaluation
de l’amplitude des micro jets dus aux implosions de bulles. Dans un premier temps,
les cellules comprenant un niveau de vapeur suffisamment fort sont retenues. Dans
ces cellules, la vitesse des micro-jets est calculée à partir de la pression du mélange.
Cette vitesse est comparée à une vitesse critique calculée à partir d’un modèle 1-D
d’impact d’une masse fluide sur une interface solide. Si le rapport entre vitesse des
jets et vitesse critique est supérieur à 1, l’érosion sur la cellule est considérée comme
réelle. La rapport est alors conservé sous le nom d’intensité de l’érosion au tempst, il
est considéré comme nul sinon. Cependant, les auteurs remarquent qu’il est difficile
d’évaluer le nombre d’implosions par cellule alors qu’ils remarquent que la répétition
d’impacts est le facteur majeur responsable de l’érosion. Pour chaque cellule,
l’au-teur effectue la moyenne temporelle de l’intensité d’érosion. La pondération de cette
moyenne par la moyenne temporelle de l’intensité d’érosion cumulée sur l’ensemble
du domaine de calcul permet de créer pour chaque cellule un coefficient appelé
co-efficient de déformation. Le coco-efficient obtenu pour chaque cellule permet de mettre
en évidence les niveaux d’érosion les uns par rapport aux autres. Cette méthode
a fourni d’excellents résultats sur les cas d’érosion de Franc et al. [17], visibles en
figure 1.8, tant sur le plan du rapport d’endommagement que sur la localisation. Le
seul bémol est qu’il ne permet pas de déterminer directement l’amplitude maximum
de l’endommagement, néanmoins il offre une modélisation des zones érodées et des
différents niveaux d’érosion.
Figure1.8 – Comparaison numérique-expérimental d’un échantillon érodé par
ca-vitation [48].
Dans la thèse de Krumenacker [35], des recherches ont été menées afin de prendre en
compte l’ensemble des phénomènes à différents niveaux d’échelles : échelle
macrosco-pique du profil et échelle microscomacrosco-pique des bulles. À partir de simulations de type
U-RANS autour d’une configuration donnée, la méthode a pour but d’évaluer la
po-pulation de bulles au cours de la simulation. Elle permet ainsi de définir les nuages
de bulles et leur constitution. Ensuite, en s’intéressant à l’implosion d’une bulle et en
particulier aux ondes de surpression, l’auteur propose d’évaluer l’agressivité à partir
du cumul des implosions des bulles composant le nuage. Malheureusement, l’auteur
pense que l’ensemble des hypothèses mises en place dans son manuscrit sont trop
importantes pour modéliser l’érosion de cavitation. Néanmoins, ce travail présente
une méthode de post-traitement d’écoulement cavitant indépendante du cas de
cal-cul, permettant de gérer l’écoulement aussi bien au niveau du profil qu’au niveau des
bulles de cavitation. L’amélioration de la définition du chargement pourrait offrir
une méthodologie permettant d’évaluer l’érosion causée par le fluide sur le solide,
mais sans tenir compte d’une éventuelle atténuation de l’agressivité du fluide par
l’absorption des chocs par le solide.
Enfin, nous allons aborder les travaux de Fortes et Challier [14] qui proposent
un scénario complet d’implosion de bulle, jusqu’à la réaction du solide. Ce
scéna-rio basé sur l’équilibre énergétique est découpé en deux étapes : la transmission
d’énergie entre la bulle qui implose et les ondes de surpressions qui sont générées
et l’interaction entre ces ondes et le solide. Dans un premier temps, un coefficient
de transmission d’énergie entre la bulle et les ondes est défini. La modélisation de
multiples cas a permis de montrer de manière empirique que ce coefficient était
direc-tement lié au rapport des pressions entre la pression du gaz dans la bulle et celle du
milieu infini. Dans un deuxième temps, le coefficient de transmission entre l’onde et
le solide est défini. Il permet de relier l’énergie liée à la plasticité dans le solide avec
celle de l’onde frappant le solide. L’énergie de plasticité est ensuite reliée au volume
du pit créé en fonction des propriétés du solide. La procédure présentée permet ainsi
de relier un volume d’arrachement de matière à une implosion de bulle particulière en
prenant en compte un bon nombre de paramètres comme la surpression entre la bulle
et le milieu extérieur, la distance bulle-paroi et les propriétés du solide. Cependant,
il semblerait que l’amortissement de l’onde fluide dû à la déformation n’est pas pris
en compte, les contraintes appliquées sur le solide risquent donc d’être surestimées.
D’autre part, la dynamique dans le solide semble négligée, le solide va donc répondre
simplement à la sollicitation en paroi, sans tenir compte de sa diffusion dans le solide.
Ce modèle énergétique a été repris dans la thèse, actuellement en cours, de
Le-clerq [38] [39]. Celui-ci est parti d’un modèle à trois équations de Navier-Stokes dans
lequel il tient compte de la création et destruction de vapeur. À partir des
simu-lations sur un profil NACA65012 et une pompe centrifuge, l’intensité d’érosion de
cavitation est mesurée sur chacun des profils par une méthode énergétique. Cette
intensité représente la moyenne temporelle de la puissance surfacique générée par
une cavitation suffisamment forte pour endommager le matériau solide. Les
résul-tats présentés avec le profil NACA65012 et de la pompe centrifuge offrent une bonne
cohérence qualitative avec des observations d’érosion sur ces deux profils, tant sur
le plan de la localisation que sur celui des différents niveaux d’érosion dans le solide.
Ces quelques travaux ont été choisis car ils sont représentatifs d’études récentes
en modélisation de l’érosion par cavitation. Nous pourrions également citer les
tra-vaux de Mottyll et Skoda [45] sur l’étude des mécanismes d’érosion par un solveur
compressible utilisant un modèle barotrope homogène appliqué au cas d’une
cavi-tation ultrasonore. Les travaux de Koukouvinis et al. [34] utilisent aussi un modèle
diphasique homogène mais la technique de simulation des grandes échelles (LES)
pour estimer les pics de pression dus au collapse des bulles de cavitation dans une
géométrie d’injecteur Diesel. Le nettoyage de surface par cavitation a été modélisé
par Chahine et al. [5]. Mihatsch et al. [43], [44] ont utilisé un modèle numérique
compressible capable de capturer la formation des ondes de choc générées par le
collapse de bulles de cavitation et en ont déduit des spectres de pics de pression
qu’ils ont comparés à des mesures expérimentales. De nombreuses autres
publica-tions sont disponibles sur la modélisation de l’érosion de cavitation comme [11], [13]
[33], [41], [46] et [58] ce qui tend à montrer la difficulté à modéliser numériquement
ce phénomène.
Dans le document
Interaction Fluide-Structure et Érosion de Cavitation
(Page 35-39)