Simulation numérique de la cavitation
Tenue en cavitation des pompes rotodynamiques

La cavitation se manifeste par la formation, au sein de l'écoulement, de structures de vapeur diverses, dépendant des conditions de fonctionnement et du dessin des canaux interaubages. Ces figures de cavitation apparaissent dans les zones de basse pression et sont transportées vers les zones de haute pression où elles implosent. Les conséquences néfastes de la cavitation sont diverses : érosion, bruit caractéristique, instabilités de fonctionnement, chute des performances…

L'étude de la cavitation mobilise toujours l'énergie de nombreux chercheurs car plusieurs phénomènes de divers niveaux interagissent au sein d'un écoulement en cours de cavitation : moléculaire, thermodynamique, hydrodynamique, hydroacoustique, mécanique et vibratoire, interaction fluide structure, etc.

La cavitation est un phénomène extrêmement instable constitué d'un mélange liquide/vapeur fortement compressible où les deux phases se déplacent avec des vitesses différentes et sont séparées par des interfaces dotées de tensions superficielles où les échanges de masse et de quantités de mouvement sont permanents. Par ailleurs, les changements de phases (vaporisation et condensation) se produisent violemment et les mécanismes de production, transfert et dissipation de la turbulence du mélange sont différents de ceux observés pour un liquide homogène. Enfin, aux changements d'état sont associés des échanges de chaleur entre phases qui modifient la pression de vaporisation du liquide générant ainsi un retard à l'apparition de la cavitation. Cet effet thermodynamique est notamment significatif dans le cas des fluides thermosensibles.

On cherche à approfondir ces phénomènes physiques afin d'en limiter les effets indésirables en particulier concernant les machines rotodynamiques et plus particulièrement les pompes.

Dans ces machines, l'apparition des poches cavitantes, leur géométrie et, de façon plus générale, leurs propriétés statiques et dynamiques dépendent de nombreux paramètres : le profil des pales, leur cambrure, leur mode d'empilement, l'incidence de l'écoulement amont, le niveau de pression, la turbulence à l'entrée, l'existence de microbulles de gaz dissous, la rugosité des parois, etc., sont autant de paramètres qui entrent dans l'apparition, le développement et les effets de la cavitation.

L'objectif de cet article est d'apporter des outils de caractérisation et d'évaluation du niveau de la cavitation dans les pompes rotodynamiques et éventuellement d'en retarder l'apparition, le développement ainsi que d'en réduire les effets. Un autre objectif important est de dégager des critères de dimensionnement permettant l'amélioration des tracés de roues et limitant au maximum les effets néfastes.