Étude expérimentale des mécanismes de cavitation à petite échelle

Experimental study of the Small-scale Cavitation Mechanisms

• Auteur / Autrice : Kunpeng Long
• Direction : Olivier Coutier-Delgosha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie énergétique (AM)
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet - Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet
• Jury : Président / Présidente : Matevž Dular
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Coutier-Delgosha, Antoine Ducoin, Amélie Danlos, Shuhong Liu, Annie-Claude Bayeul Lainé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Ducoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Cavitation

Mots clés libres

Cavitation

Petite échelle

Piv

Débit à grande vitesse

Cavitation

Small-Scale

Piv

High-Speed flow

Résumé

Le présent article est consacré à l'analyse des diverses instabilités de cavitation attachées à un profil bidimensionnel. Une vélocimétrie par images de particules (PIV) stéréo résolue dans le temps a été réalisée dans une petite section 2D de type venturi, dans différents plans verticaux dans le sens du courant, situés à des positions variables dans la profondeur du canal. Ces expériences ont permis d'obtenir l'évolution temporelle des trois composantes du champ de vitesse dans la zone de cavitation, et de dériver les gradients moyennés dans le sens de l'envergure. Des cas d'essai à différents nombres de Reynolds ont été réalisés, en maintenant la pression ou le nombre de cavitation constant, afin de discuter de l'impact de ces paramètres sur l'écoulement. Ensuite, l'attention a été portée sur trois dynamiques d'écoulement distinctes, à savoir la cavitation en nappe, où aucune instabilité à grande échelle ne peut être détectée, la cavitation à nuage unique, où un grand nuage de vapeur est déversé périodiquement à l'arrière de la cavité, et la cavitation à nuages multiples, où le processus est plus complexe, car plusieurs nuages sont déversés en aval. Les données révèlent que la structure du jet rentrant, qui est l'un des principaux mécanismes de la cavitation nuageuse, est plus complexe que celle rapportée dans les études précédentes. Bien que le jet puisse être détecté comme un écoulement inverse intermittent à faible vitesse dans le sens du courant, il est en fait constitué de tourbillons successifs autour de la profondeur du canal, qui sont conveits en aval tout en se dilatant dans la direction verticale, provoquant le soulèvement de la cavité et contribuant ainsi à sa division finale et au déversement des nuages.

Cet article se concentre sur la dynamique de la cavitation des nuages à des échelles submillimétriques, entre 0,1 mm et 10 mm. Une configuration d'écoulement simple consistait en un jet de petit diamètre impactant une paroi à 90° à partir d'une buse de jet plat et s'écoulant ensuite radialement entre deux plaques. La cavitation a été obtenue dans l'espace entre les deux plaques en raison de l'accélération locale de l'écoulement. L'échelle du montage a été modifiée en faisant varier séparément l'espace entre les deux plaques et le diamètre de la buse. Les observations ont été réalisées à partir de la plaque inférieure transparente, à l'aide d'une caméra à grande vitesse et d'un éclairage intense, pour différents nombres de Reynolds et de cavitation. L'analyse s'est concentrée sur les variations de la longueur de la cavité et du nombre de Strouhal en fonction de la fréquence caractéristique de l'instabilité de l'écoulement pour la première partie de l'expérience. Plus tard, des outils de PIV ont été introduits pour calculer le champ de vitesse, et la carte de fréquence a également été calculée, ce qui permet d'obtenir les paramètres locaux de manière quantitative.