Experimental investigation of cavitation noise

Etude expérimentale du bruit de cavitation Etudes expérimentales de l'érosion de cavitation pendant la période d'incubation

¹ Professor, Departement of hydraulic Machinery, Budapest technical University, Hungary.
² Research Engineer, Departement of Hydraulic Machinery, Budapest technical University, Hungary.

Résumé

Les auteurs - en partant de l'hypothèse que les coups de bélier provoqués par les bulles s'écrasant après l'apparition du phénomène de cavitation, rendent possible l'examen des phénomènes de cavitation au moyen de méthodes acoustiques - ont efrectué des expériences dans le cas d'un obstacle cylindrique placé dans la veine d'essais d'un tunnel hydrodynamique fermé, pour établir les rapports entre le niveau de bruit de la cavitation d'une part et l'érosion de cavitation d'autre part. Les mesures de fréquence et de niveau de pression acoustique ont été effectuées dans la gamme de fréquences de 20-20000 Hz avec un microphone électrostatique, puis avec l'accéléromètre relié à un analyseur de fréquence. En premier lieu, on a établi le rapport existant entre la longueur lz, observable de la zone de cavitation naissant derrière l'obstacle cylindrique, comptée à partir de l'obstacle cylindrique et le coefIieient de cavitation (σ). La figure 1 montre la variation de la longueur sans dimension λ = lz/d, où d est le diamètre de l'obstacle cylindrique. On a constaté ensuite que n'importe quelle fréquence supérieure à 10 000 Hz permet de comparer des niveaux de bruit entre différents états de cavitation. La figure 5 représente deux courbes de niveau de bruit correspondant à deux coefIicients de cavitation différents en fonction de la fréquence, à vitesse constante. De ces courbes, on peut déduire qu'il y a une différence importante du niveau de bruit selon l'état de cavitation et le niveau de bruit choisi comme valeur de base pour l'état exempt de cavitation. Après avoir établi les valeurs du niveau de bruit pour des longueurs relatives différentes de la zone de cavitation, on a obtenu les résultats présentés sur la figure G qui montrent que le bruit atteint un maximum prononcé pour la valeur de λ = 1,5. Ce résultat a été également confirmé par des mesures de niveau d'accélération (fig. 7 et 8). Les auteurs ont établi pour une vitesse constante de courant, en mesurant le niveau de bruit avec des éprouvettes en plomb, les courbes de perte de poids des éprouvettes en fonction du temps, pour différentes longueurs relatives de zone de cavitation (fig. 9). Les résultats de mesure obtenus de cette façon ont permis de calculer les volumes érodés par unité de temps pour différentes longueurs de la zone de cavitation. Les résultats sont portés sur la figure 10, avec les résultats des mesures de niveau de bruit. L'évolution identique de la perte en poids par unité de temps et des différences du niveau de bruit ainsi que la valeur maximale qui se manifeste au même endroit donnent une signification satisfaisante aux mesures de bruit. Les résultats présentés permettent de constater qu'il y a une relation étroite entre l'état de cavitation, l'intensité de l'érosion et le bruit accompagnant la cavitation, et que le niveau de bruit pour divers états de cavitation fournit une information sur l'intensité de l'érosion de cavitation. Les résultats présentés permettent d'espérer que cette méthode soit appliquée fructueusement à l'examen de la cavitation dans les machines hydrauliques. Les auteurs exposent les résultats d'essais effectués dans un tunnel hydrodynamique avec un obstacle cylindrique. Ces essais avaient pour but d'étudier la "période d'incubation" de l'érosion de cavitation. Les courbes représentant la perte en poids par érosion en fonction du temps peuvent ètre divisées en deux branches bien distinctes (fig. 1). La première branche représente la période d'incubation suivie d'une période de destruction totale. Le point d'intersection de ces deux branches est un point critique caractérisé par un temps critique et une perte en poids critique. Les auteurs montrent que seule la première branche correspond à une véritable érosion de cavitation, car au-delà du point critique apparaissent déjà divers effets cumulatifs. La limite de rupture du matériau est déjà atteinte au point critique. Les auteurs exposent une méthode permettant de déterminer le point critique. Le temps critique se détermine avec une précision satisfaisante en calculant l'accélération de l'érosion de cavitation (fig. 5). Les auteurs montrent que, dans le cas d'un coefIieient de cavitation constant, la perte en poids critique est indépendante de la vitesse d'écoulement et ne dépend que des dimensions de l'obstacle et de la veine d'essai. On constate également que la relation déjà proposée par les auteurs, tv5 = Cte entre la durée de l'essai et la vitesse. à perte en poids constante, reste valable au point critique (fig. 7). Les résultats des essais montrent que la durée critique diminue avec la dureté superficielle (fig. 8, 9, 16), alors que cette dernière n'influence pas considérablement la perte en poids dans la deuxième période de destruction. Les auteurs démontrent enfin que l'effet d'échelle dû aux dimensions géométriques peut se déterminer à partir des pertes en poids critiques pour des veines d'essais géométriquement semblables, le liquide, le matériau et les vitesses restant constants par ailleurs.