Teneur en gaz et cavitation

Gaz content and cavitation

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Résumé

C’est un fait connu que la teneur en gaz des liquides peut avoir une forte influence sur pratiquement toutes les conséquences néfastes ou bénéfiques liées au phénomène de cavitation. Elle intervient sur les conditions d’apparition et de disparition des premières bulles, sur le bruit émis et rayonné, sur la typologie du phénomène, les efforts engendrés en cavitation développée, l’érosion ou même les aspects chimiques liés par exemple à la sonoluminescence et à la production de radicaux OH°.

La prédiction du comportement de la cavitation et de ses conséquences s’effectue classiquement en utilisant des modèles réduits de composants ou de machines. Il est donc souhaitable de pouvoir également connaître les effets des variations de teneur en gaz dans les maquettes afin de reproduire convenablement les dits effets à l’échelle réelle. Si tel n’était pas le cas, on remettrait en cause la pertinence des essais en modèle réduit, largement utilisés dans l’industrie depuis des décennies pour prévoir les performances des composants hydrauliques.

Cet article montre que de tels effets des gaz libres et dissous existent mais qu’il existe des techniques qui permettent de contrôler ces paramètres et de mesurer les caractéristiques physiques des liquides utilisés dans les modèles ou au réel. Ceci permet de prévoir la plupart des effets de la cavitation aux conditions réelles à partir d’essais sur modèles par application de règles de similitude et de techniques spécifiques de mesure et contrôle de la qualité des liquides.

Ceci permet de prévoir la plupart des effets de la cavitation aux conditions réelles à partir d’essais sur modèles par application de règles de similitude et de techniques spécifiques de mesure et contrôle de la qualité des liquides.

Dans cet article sont rappelées les lois de similitude en écoulements cavitants ou non. On insiste sur les diverses typologies des écoulements cavitants, certains nécessitant la présence de germes pour se développer et d’autres non. On donne quelques exemples mesurés des effets résultant de variations de teneurs en air libre et dissous sur l’apparition de la cavitation et ses effets sur les performances dans un état plus développé. On montre que l’air dissous a un effet indirect sur la teneur en air libre au travers des capacités de résorption des moyens d’essais. On donne des résultats obtenus dans un tunnel à haute vitesse qui concluent à un effet négligeable de la teneur en air dissous sur l’érosion produite par une cavitation à poche. On analyse succinctement certains effets de la teneur en gaz sur les phénomènes de sonoluminescence et de sonochimie. On présente enfin des techniques permettant de contrôler et de mesurer ces paramètres dans les moyens d’essais.

Abstract

It is well known that gas content of liquids may have a strong influence on most of the consequences of cavitation. It has an effect on inception, on noise, on hydrodynamic performances of machines and components, on the possible damage and possibly on chemical effects.

The prediction of cavitation characteristics of real components is often done by use of reduced scale models. It is important to know whether or not the gas content of liquids can be monitored to permit correct scaling of all the phenomena cited above. If this was not possible, the use of models as simulators of full scale would be greatly questionable as a prediction methodology.

This paper shows that such effects of free and dissolved gas exist, but that techniques are available to monitor these parameters and to measure the physical characteristics of both full scale and model liquids. This permits to apply scaling laws to forecast most of the effects of cavitation at full scale by use of models and associated scaling laws.

In this paper, the scaling laws of single phase and cavitating flows are recalled. The importance of cavitation types, such as separated bubbles, sheets, vortices is enhanced. Some are sensitive to cavitation nuclei and others less or not. Some examples of these effects on cavitation inception and developed cavitation are presented. It is shown that dissolved gas has almost no effect on cavitation geometry but can change the free air content which is of great importance. Effect of dissolved air is generally a two stage process. The effect of dissolved air on cavitation erosion has proved to be negligible in a set of experiments in a high speed cavitation tunnel with varying air content in a very large range. A short analysis of the influence of air content on sonochemistry effects is presented. Finally, techniques are presented which permit to control free and dissolved air in test facilities.