La cavitation (du latin , « trou ») est la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Si cette dépression est suffisamment élevée, la pression peut devenir inférieure à la pression de vapeur saturante, et une bulle de vapeur est susceptible de se former.
La dépression peut avoir pour origine : l'écoulement du fluide ; une onde acoustique entraînant des variations de la densité du liquide ; une onde lumineuse entraînant des variations de la densité du liquide.
Origine de la cavitation
La dépression peut avoir trois origines différentes connues à ce jour : elle peut être liée à un écoulement de liquide à forte vitesse, par exemple par effet Venturi, ou bien au voisinage d'une pale dans une pompe ou encore sur une hélice de bateau ou de sous-marin. En effet, une zone de forte vitesse dans un fluide correspond à une faible pression (. le théorème de Bernoulli). On parle de cavitation hydrodynamique, découverte en 1917 par Lord Rayleigh. Cela se traduit par exemple par un sillage de bulles, ainsi que par l'apparition d'une couche de vapeur accrochée à une pale (là où la dépression est la plus forte, c'est-à-dire à l'extrados ; attention toutefois, la bulle souvent observée n'est généralement que de l'air entraîné depuis la surface, et non de la cavitation : c'est le phénomène de ventilation, quand l'hélice est proche de la surface) ; elle peut être liée aux variations de densité d'un liquide soumis à une onde acoustique, en général des ultrasons de puissance. On parle alors de cavitation acoustique. ; elle peut être liée à une exposition à une forte énergie lumineuse. On parle alors de cavitation optique..
Différents types de cavitation On distingue trois types de cavitation : la cavitation à haut nombre de Reynolds : l'inertie du liquide (sa mise en mouvement) ralentit l'expansion du gaz ; la cavitation à faible nombre de Reynolds : la viscosité du liquide limite la vitesse d'expansion ; la cavitation élastique : la résistance élastique du milieu et la tension de surface limitent la dilatation du gaz.
Dans tous les cas, c'est la dépression qui fait grandir la bulle. Pour étudier ce phénomène, il est donc nécessaire d'étudier la relation qui lie la pression du fluide (loin de la bulle), et le rayon de la bulle (considérée comme sphérique). Pour cela, on s'appuie sur la nature du gaz, de la pression de Laplace, et éventuellement du module d'élasticité du fluide...
Cavitation à grand nombre de Reynolds
Quelle qu'en soit l'origine, la cavitation a deux effets différents : Les bulles de vapeur changent complètement le comportement du liquide. La cavitation hydrodynamique détruit le rendement de l'hélice ou de la pompe. L'énergie n'est plus transformée en mouvement (par exemple), mais soit elle reste dans l'engin moteur (qui peut ne pas supporter de sortir ainsi des conditions normales de travail), soit elle est diffusée sous une forme incontrôlée et donc probablement nuisible. Le plus souvent la bulle de vapeur est transitoire : son apparition élimine instantanément les conditions qui lui ont donné naissance. Se produit alors une implosion de la bulle. Cette implosion peut être si violente que la pression et la température à l'intérieur de la bulle peuvent prendre des valeurs très élevées (plusieurs milliers de bars, plusieurs milliers de kelvins). En implosant, la bulle peut émettre une onde de choc dans le liquide, qui permet de casser des gouttes (émulsification), de disperser, désagglomérer ou briser des particules solides, ou encore de nettoyer ou éroder des surfaces solides.
C'est pourquoi le contrôle du phénomène de cavitation est essentiel en hydrodynamique : il représente une limite, à cause de la perte de rendement voire de la destruction (des hélices et pompes) qu'il peut provoquer. Les impacts sur celles-ci se font toujours aux points de vitesse les plus élevées : intérieur des hydrauliques vortex et extérieur des hydrauliques mono et multicanaux (voir les photos suivantes).
La cavitation a un effet destructeur principalement sur les pompes oléohydrauliques haute pression : les micro-explosions arrachent la matière et détruisent la pompe. Les causes les plus fréquentes sont un filtre d'aspiration colmaté ou une prise d'air sur l'aspiration.
Cavitation à faible nombre de Reynolds
Cavitation élastique
Prévision Pour prévoir ce phénomène, on introduit le paramètre de cavitation, adimensionnel, noté . Il est défini par :
Avec : une grandeur caractéristique du système, la pression de vapeur saturante du liquide, la pression en un point de référence.
Deux écoulements de géométries semblables avec le même σ verront la cavitation se produire en des points homologues, s’ils ont le même nombre de Reynolds.
D'une manière similaire, le NPSH ()., est le supplément minimal de pression qu’il faut ajouter à la pression de vapeur saturante , au niveau de l’entrée de la pompe, pour que la pression à l’intérieur de celle-ci ne puisse être inférieure à . Le NPSH est défini par l'expression suivante :
Dommages causés par la cavitation Pompes, propulseurs et turbines Cavitation de type vortex
Ce type de cavitation est couramment rencontré dans les hélices marines. Une grande dépression se forme dans le cœur d'un tourbillon, c'est ce qui provoque la vaporisation de l'eau dans cette zone.
Les cas les plus célèbres de cavitation remontent aux années 1930-1940, lorsque les principaux paquebots (Bremen, Queen Mary, Normandie.), se disputaient le record de vitesse de la traversée de l'Océan Atlantique. On a pu noter, sur ces hélices, des érosions et des arrachements métalliques qui pouvaient aller jusqu'à de profondeur..
Ce phénomène d'érosion peut aussi se produire quand les pales de l'hélice aspirent de l'air par effet vortex ou ventilation, comme sur un scooter des mers..
Cavitation par poche attachée La cavitation par poche attachée, appelée aussi cavitation du bord d'attaque ou cavitation d'entrée, se développe sur un profil en incidence, dans les installations hydrauliques ou sur les propulseurs. Elle se caractérise par une poche de vapeur attachée au bord d'attaque, qui génère des érosions sur les surfaces où elle se développe. Ces cavités de vapeur sont entraînées par l'écoulement et implosent dans la zone de compression. Elles induisent une dégradation des performances, ainsi qu'une augmentation du bruit..
Cavitation à bulles séparées La cavitation se manifeste lorsque l'incidence de l'écoulement aux bords d'attaque est voisine de l'incidence nulle. Les bulles de vapeur subissent des expansions explosives déclenchées dans les zones de dépression puis elles implosent dans les zones de compression. Ce type de cavitation se produit principalement à la sortie des aubes des turbines Francis sur les côtés extrados ainsi que dans les pompes au voisinage du point de fonctionnement optimum (voir vidéo). Ces pulsations sont à l'origine du bruit de cavitation dans les machines hydrauliques.
Résistance à la cavitation Dans l'industrie, on améliore la résistance à la cavitation, en favorisant l'écoulement du fluide, avec l'utilisation du Polyamide 11 thermoplastique (nom commercial Rilsan PA 11.), dans les tuyauteries ou dans l'aubage des turbinesLe polyamide 11, a obtenu un agrément officiel, pour la protection des matériels utilisés dans la potabilisation de l'eau (tuyauteries, turbines, pompes, vannes etc.), compte tenu qu'il est considéré comme un bioplastique, car issu d'une matière d'origine végétale, l'huile de ricin.. Outre la prévention de la cavitation, ce traitement permet aussi de protéger les pièces métalliques de la corrosion, du colmatage, et de l'abrasion. Sur une turbine Kaplan, l'amélioration du glissement de l'eau sur l'aubage, fait augmenter le rendement de .
Le procédé d'application du polyamide 11 se fait à partir d'une poudre de différentes granulométries : on utilise une épaisseur de à , pour des dépôts effectués par un procédé électrostatique, et jusqu'à pour des dépôts effectués dans un bain fluidisé..
Prévention de la cavitation Dans le cadre de la maintenance industrielle prédictive, l'apparition des phénomènes de cavitation peut s'anticiper au moyen de détecteurs ultrasonores, avant que celle-ci ne devienne destructrice.. Sur une turbine Francis, en particulier, l'analyse de la réponse vibratoire permet d'anticiper l'apparition de la cavitation de bord d'attaque..
Moteurs Moteur Diesel Certains grands moteurs Diesel souffrent de cavitation, due à un fort taux de compression dans de trop petits cylindres. Les vibrations de la paroi du cylindre induisent alternativement une basse puis une haute pression dans le liquide de refroidissement, contre la paroi du cylindre. Le résultat est une érosion de celle-ci, qui finit par laisser fuir des gaz de combustion dans le liquide de refroidissement. Il est possible de prévenir l'apparition de ce phénomène avec l'utilisation d'additifs chimiques dans le fluide de refroidissement, qui forment une couche de protection sur la paroi du cylindre. Cette couche est exposée à la même cavitation, mais peut se renouveler. En outre, une surpression réglementée dans le système de refroidissement (régulé et maintenu par la pression du ressort du bouchon de remplissage du liquide de refroidissement), empêche la formation de la cavitation. Le phénomène de cavitation peut apparaitre autour des chemises amovibles des cylindres des gros moteurs Diesel, créant une érosion profonde du métal.. Dès lors, la chemise devient inutilisable et doit être mise au rebut si les tolérances dimensionnelles sont dépassées. Si celles-ci sont respectées, une rénovation de la chemise amovible (ou chemise humide ou ) est possible, par un pré-usinage, puis un rechargement métallique au moyen d'un alliage spécifique, suivi d'un réalésage final pour remise aux cotes d'origine.. Les phénomènes de cavitation peuvent aussi apparaître au niveau des injecteurs de carburant..
Moteur à essence Depuis les années 1980, des nouveaux modèles de moteurs à essence affichent également des phénomènes de cavitation. Ils sont une réponse des moteurs plus petits et plus légers, au volume de liquide de refroidissement réduit, et donc à une circulation plus rapide du fluide. Cela donne lieu à des changements rapides de la vitesse d'écoulement et des fluctuations rapides de la pression statique dans les zones de transfert de chaleur élevée. Il en résulte la formation de bulles de vapeur, perturbant les couches d'oxyde de protection (matériaux en fonte d'aluminium), empêchant l'action de certains inhibiteurs de corrosion (tels que les inhibiteurs à base de silicates). Le dernier problème apparu est l'effet de l'augmentation de température sur la réactivité électrochimique du métal de base et de ses composants d'alliage. Le résultat a été la formation de profondes cavités qui peuvent, à terme, perforer le moteur lors de son fonctionnement en charge élevée et à haute vitesse. Ces effets destructeurs peuvent être évités en grande partie par l'utilisation d'inhibiteurs de corrosion organiques ou, de préférence, par une nouvelle conception de la culasse du moteur, de façon à éviter certaines conditions induisant la cavitation.
Utilisation de la cavitation Mais inversement, la bonne compréhension du phénomène peut permettre de l'exploiter.
Utilisations diverses
Le nettoyage Diverses applications pour le nettoyage ont été proposées, telles que le bain à ultrasons, comme, chez les opticiens, le nettoyage des paires de lunettes..
La sonochimie, la sonocatalyse et la sonoluminescence