Quantification expérimentale et numérique de l'agressivité de cavitation

par Jean-Bastien Carrat

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Jean-Pierre Franc et de Regiane Fortes-Patella.

Le président du jury était Jean-Yves Billard.

Le jury était composé de François André.

Les rapporteurs étaient Florent Ravelet, Mohamed Farhat.


  • Résumé

    La cavitation est un enjeu majeur dans de nombreux systèmes hydrauliques à cause des chutes de performances, des vibrations et de l'endommagement qu'elle peut générer.Cette thèse est dédiée au phénomène d'érosion par cavitation et vise à proposer des outils pour quantifier le potentiel érosif d'un écoulement cavitant.La géométrie retenue est celle d'un hydrofoil symétrique basé sur un NACA0015 avec une partie plane entre 27% et 70% de la corde pour faciliter la mise en place de capteurs.L’étude se focalise sur une cavitation par poche oscillante se développant au bord d’attaque de l’hydrofoil.Les essais sont réalisés dans le tunnel hydrodynamique du LEGI, rénové en partie pour répondre aux nouveaux besoins de cette thèse.En parallèle, des calculs numériques sont menés avec le code de calcul 2D instationnaire cavitant IZ développé au LEGI.L'écoulement cavitant est analysé sur la base de vidéos rapides et de simulations numériques.Cette analyse permet de déterminer la dynamique de la poche, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers, ainsi que l'influence des paramètres hydrodynamiques (vitesse de l'écoulement, incidence du profil, nombre de cavitation) sur le comportement de la poche.De forts effets tridimensionnels observés expérimentalement rendent difficile la prévision de la dynamique de la poche avec le code bidimensionnel.Cependant, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers sont bien prévues numériquement.Une matrice de huit capteurs PVDF, de surfaces actives 2x2 mm$^2$, est fabriquée et collée sur l’hydrofoil entre 30% et 67% de la corde. Cette instrumentation permet de mesurer les pics de pression dus à l'implosion des structures de vapeur à une fréquence d'acquisition de 10~MHz sur huit voies en simultané.L’agressivité de l’écoulement cavitant est déterminée expérimentalement à partir de la distribution de la fréquence des pics de pression en fonction de leur amplitude.Numériquement, un paramètre d’agressivité est défini à partir d’un modèle développé précédemment au LEGI.Il permet d’estimer une agressivité instantanée et moyenne à la surface de l’hydrofoil.Des études locales sur l’agressivité instantanée et moyenne numériques permettent d’identifier l’origine des zones les plus agressives. Une comparaison qualitative entre expérience et numérique montre que le calcul numérique surestime l’agressivité au voisinage du bord d’attaque.Globalement, les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord pour une faible incidence et montrent que la zone de plus forte agressivité est localisée au niveau de la fermeture de poche et que la vitesse de l'écoulement a une forte influence sur le niveau d'agressivité.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical quantification of the cavitation aggressiveness


  • Résumé

    Cavitation is a major issue in hydraulic machinery, due to its negative consequences: performance drop, vibrations increase and damage.This PhD is dedicated to cavitation erosion and aims to propose tools in order to quantify the erosive potential of a cavitating flow.Experiments were carried out on a symmetrical hydrofoil based on a NACA0015 with a flat area between 27% and 70% of the chord length for an easy instrumentation with pressure sensors.The study is focused on partial cavitation that detaches from the leading edge of the hydrofoil and periodically sheds vapor clouds.All experiments are conducted in the LEGI cavitation tunnel, partly renovated for the new purposes of this PhD.Meanwhile, numerical calculations are performed with the in-house 2D cavitating unsteady code IZ developed at LEGI.Flow analyses are based on high-speed videos and numerical simulations.These analyses give the cavity dynamics, the maximum cavity length and the shedding frequency.The influence of the hydrodynamic parameters (flow velocity, hydrofoil angle of attack, cavitation number) on the cavity behavior is studied.Strong 3D effects observed experimentally make it difficult to predict the cavity dynamics with the two-dimensional code. Nevertheless the maximum cavity length and the shedding frequency are well predicted numerically.A matrix of eight sensors, with an active area of 2x2~mm$^2$, was made and flush mounted on the hydrofoil between 30% and 67% of the chord length.These sensors allow measuring pressure peaks due to the collapse of vapor structures on the hydrofoil surface. Acquisitions are made simultaneously on the eight sensors at a sampling rate of 10 MHz.The flow aggressiveness is estimated experimentally from the peak frequency distribution as a function of the peak amplitude.Numerically an aggressiveness parameter is defined from a model developed previously at LEGI. This parameter allows estimating an instantaneous and mean aggressiveness at the surface of the hydrofoil.The origins of the most aggressive areas are identified from local studies.Comparison between experimental and numerical results shows that the numerical approach overestimates the aggressiveness close to the hydrofoil leading edge.Globally, the experimental and numerical results are in pretty good agreement for low incidence.The most aggressive area is localized at the cavity closure and the flow velocity has a huge influence on the aggressiveness level.


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