Etude expérimentale de la structure et de la dynamique des écoulements cavitants

Experimental study of the structure and dynamics of cavitating flows

• Auteur / Autrice : Guangjian Zhang
• Direction : Olivier Coutier-Delgosha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique (AM)
• Date : Soutenance le 02/12/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Todd Lowe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Coutier-Delgosha, Antoine Ducoin, Lionel Thomas, Joseph Katz, Matevž Dular, Nathanaël Machicoane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Ducoin, Lionel Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Écoulement polyphasique

Mots clés libres

Poche de cavitation instabilités

Instabilités

Imagerie par rayons X

Structure diphasique

Sheet/cloud cavitation

X-Ray imaging

Two-Phase structure

Résumé

La cavitation est un phénomène complexe impliquant un transfert de masse entre la phase liquide et vapeur à des températures presque constantes.Les processus physiques qui contrôlent les instabilités dans les écoulements cavitants ne sont pas encore compris, principalement en raison du manque de données expérimentales quantitatives sur les structures diphasiques et la dynamique à l'intérieur des zones de cavitation opaques. Dans cette thèse, la cavitation partielle développée dans de petits canaux convergents-divergents (Venturi) a été étudiée expérimentalement en détail pour élucider ces mécanismes. Ceci a été réalisé en combinant une technique d'imagerie par rayons X ultra-rapide, la visualisation conventionnelle à haute fréquence et la vélocimétrie par images de particules. Les principales contributions de la présente étude portent sur les quatre aspects suivants:(1) une description détaillée des structures d'écoulement diphasique au sein des poches de cavitation quasi stables,qui se caractérisent par un écoulement rentrant à faible vitesse existant en continu sous la cavité; (2) analyse de l'effet complexe de la cavitation sur les fluctuations de vitesses turbulentes; (3) identification et discussion de trois mécanismes distincts responsables de la transition vers un comportement instable périodique ; (4) analyse de l'effet d'échelle sur les comportements cavitants, dans le cas des profils Venturi étudiés.

Cavitation is a complex phenomenon involving mass transfer between liquid and vapour phase at nearly constanttemperature. Advances in the understanding of the physical processes of cavitating flows are challenging, mainlydue to the lack of quantitative experimental data on the two-phase structures and dynamics inside the opaquecavitation areas. In this thesis, partial cavitation developed in small convergent-divergent (Venturi) channels wasstudied experimentally in detail for a better knowledge of the physical mechanisms governing the cavitationinstabilities. This was achieved by using an ultra-fast synchrotron X-ray imaging technique aided withconventional high speed photography and Particle Image Velocimetry. The main contributions of the presentstudy can be summarized as follows: (1) detailed description of the two-phase flow structures in quasi-stablesheet cavitation, which is characterized by a low-speed re-entrant flow existing continuously underneath thecavity; (2) analysis of the complex effect of cavitation on turbulent velocity fluctuations; (3) identification ofthree distinct mechanisms responsible for the transition of sheet-to-cloud cavitation, with a discussion of thedifferences between them; (4) analysis of the scale effect on cavitation in the studied Venturi flows.