Simulation numérique du chargement mécanique en paroi généré par les écoulements cavitants, pour application à l'usure par cavitation des pompes centrifuges

par Christophe Leclercq

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Regiane Fortes-Patella.

Le président du jury était Stéphane Aubert.

Le jury était composé de Antoine Archer, Fabien Cerru.

Les rapporteurs étaient Sofiane Khelladi, Francisco Camara Pereira.


  • Résumé

    Lors du fonctionnement des machines hydrauliques, le développement de structures de cavitation peut entraîner une chute de performance. De plus, la cavitation peut être responsable de l'usure des pièces mécaniques par érosion. La taille et la vitesse de rotation des pompes étant fortement dépendantes du niveau de cavitation acceptable, la présence de cavitation dans une installation hydraulique est liée à un compromis technico-économique. La prévision de l'érosion de cavitation serait utile à la fois pour améliorer la conception des matériels en projet mais également pour optimiser les périodes de maintenance de ceux existants. Bien que des essais, permettant de caractériser le comportement à l'érosion d'une machine, soient possibles, ceux-ci restent coûteux. Bénéficiant des progrès de la simulation des écoulements, une prévision par voie numérique de l'érosion de cavitation parait accessible.L'érosion est un phénomène multi-physique et multi-échelle. Multi-physique car elle fait intervenir la mécanique des fluides et la réponse du solide ; multi-échelle car les échelles en temps et en espace vont de celles caractérisant l'écoulement autour du composant hydraulique (0.1 m - 1 ms) jusqu'à celles de la déformation plastique observée sur le matériau (1 µm - 10 ns) . Dans cette thèse, seule la partie fluide est considérée, plus particulièrement, le chargement d'un écoulement cavitant sur une paroi solide, appelé "intensité de cavitation". L'objectif est d'estimer cette intensité à partir de la simulation d'un écoulement cavitant.Des écoulements instationnaires 3D en régime cavitant sont simulés en utilisant un modèle homogène, implémenté dans le Code_Saturne cavitant. Une description du modèle numérique et de l'approche physique considérée est présentée dans le mémoire. Le modèle de prédiction de l'endommagement, basé sur une approche énergétique, est développé et appliqué sur un hydrofoil NACA 65012 testé au LMH-EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) et sur la pompe centrifuge SHF testée au sein d'EDF R&D. Des comparaisons entre des simulations 3D sur différents maillages sont analysées et une bonne estimation qualitative de l'érosion est obtenue via ce modèle à différentes vitesses d'écoulement. Une tentative de validation quantitative pour le cas de l'hydrofoil est mise en place et semble prometteuse.Dans le but d'enrichir le modèle de prévision de l'intensité de cavitation, des simulations à l'échelle d'une bulle sont également menées. Ces simulations permettent une meilleure compréhension des interactions entre une onde incidente et l'implosion d'une bulle en proche paroi. Des phénomènes d'amplification des collapsus de bulles ont pu être simulés, pouvant être à l'origine de fortes ondes de pression dont l'impact serait responsable de l'endommagement des matériaux avoisinants.

  • Titre traduit

    Numerical simulation of a mechanical load on a wall resulting from cavitating flows, with application to centrifugal pumps cavitation wear


  • Résumé

    The development of cavitation structures can lead to efficiency losses during hydraulic machinery duty. Moreover, cavitation can be responsible for wear of mechanical parts through cavitation erosion. The presence of cavitation in a hydraulic machine is also linked to a technical and economical trade-off, because the size and rotational speed of pumps are highly dependent on the acceptable cavitation level. Therefore, it seems likely that cavitation will remain present in current and future pump designs and its consequences must be dealt with. The prediction of the erosion is important both for the improvement of hydraulic components at the design stage but also for the optimization of maintenance periods of existing machinery. Experimental tests can be carried out to characterize the erosion behaviour of a machine, but are still expensive. With the recent advances in Computational Fluid Dynamics, the numerical prediction of cavitation erosion appears as a reachable and cost-effective alternative.The erosion is a multi-physical and multi-scale phenomenon. Multi-physical because it deals with both fluid and solid mechanics and multi-scale because the length and time scales of the flow around the hydraulic component (0.1 m - 1 ms) and of the plastic deformation observed on the material (1 µm - 10 ns) are not of the same order of magnitude. In this thesis, only the fluid part is considered, more particularly, the mechanical load imposed by a cavitating flow on a material, called "cavitation intensity". The objective is to estimate this intensity from cavitating flow simulations.In this work, 3D unsteady simulations of cavitation regimes are carried out using a homogeneous model, implemented in the CFD code Code_Saturne cavitant. The prediction damage model, based on an energy approach, is developed and applied to a NACA 65012 hydrofoil tested at the LMH-EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) and on the SHF centrifugal pump tested at EDF R&D. Comparisons between 3D simulations on different meshes show that the model provides good qualitative predictions of erosion at different flow velocities. An attempt is made to propose a quantitative validation for the case of the hydrofoil, with promising results.In order to enrich the cavitation intensity prediction model, simulations at the bubble scale are also performed. These simulations allow for a better understanding of the interaction between an incident pressure wave and the implosion of a near-wall bubble. The mechanism of bubble collapse amplification is simulated, and is shown to be associated with high magnitude pressure waves. This amplification phenomenon is suspected to be a strong contributor to the damage of neighbouring materials.


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