[L’actu des labos] Simuler la cavitation hydraulique

Découvrez les travaux des chercheurs de l’Institut Pprime (Université de Poitiers – Isae-Ensma – CNRS) sur la simulation de la cavitation hydraulique.

Simuler la cavitation hydraulique

Le 15 novembre 1999, la fusée japonaise H-II, censée mettre en orbite deux satellites météorologiques, explose en vol seulement 4 minutes après le décollage. En effet, quand le moteur à carburant liquide LE-7 arrête de fonctionner faisant sortir la fusée de la trajectoire de vol prévue, la NASDA (l’agence spatiale japonaise de l’époque) lance aussitôt la procédure d’autodestruction. Récupéré à 3000 mètres de profondeur dans l’océan, le moteur LE-7 montre des signes particuliers d’usure : la cause de la défaillance est la cavitation.

Bien connu dans le domaine spatial, mais aussi dans les milieux naval et hydroélectrique, ce phénomène non désirable peut apparaître spontanément dans les processus industriels ou dans les systèmes de propulsion, entrainant la dégradation du matériel et la détérioration des performances. Des pièces mécaniques s’abiment et, dans le pire des cas, arrêtent de fonctionner, et tout cela à cause d’un changement de pression dans les fluides présents.

Des bulles de vapeur très puissantes

De fait, la cavitation correspond à la vaporisation d’un liquide déterminée par une forte baisse de sa pression en dessous d’un certain seuil, dit pression de vapeur.

Elle se distingue, donc, de l’ébullition induite par une augmentation de la température (pensons à l’eau qui bout dans une casserole). Dans le cas de la cavitation, à l’intérieur même de la phase liquide se forment soudainement des bulles de vapeur éphémères, qui se recondensent rapidement en redevenant ainsi liquides. La chose étonnante est que ce dernier changement d’état ressemble à une implosion et produit une violente onde de choc qui n’est pas sans conséquences.

La dépression à l’origine de la cavitation est engendrée par un rapide mouvement rotatoire comme dans les cas des hélices d’un navire, des pompes hydrauliques et des turbines. Par conséquent, les domaines dans lesquels ce problème est très important et où il convient d’en affiner la connaissance sont, principalement, ceux de la production d’énergie hydroélectrique, mais aussi – comme on l’a vu – de la propulsion spatiale, notamment pour les moteurs des fusées à hydrogène liquide, et de la propulsion navale (bateaux, sous-marins).

Dangers et dommages de la cavitation

Pour cette raison, la recherche fondamentale sur ce sujet intéresse inévitablement des entreprises et institutions françaises comme Électricité de France (EDF), le Centre national d’études spatiales (CNES), ALSTOM, multinationale spécialisée dans les transports ferroviaires mais aussi dans la production de pompes-turbines pour les énergies renouvelables. Et pour cause :  il est urgent pour gagner en efficacité, sécurité et pour faire des économies, de prévenir les dommages et les dangers de la cavitation tels que la chute des performances, les vibrations anomales, l’érosion des pièces métalliques et même le bruit de cavitation ! D’ailleurs, ceux qui ont vu le film À la poursuite d’Octobre Rouge de John McTiernan le savent : le sous-marin nucléaire russe était équipé d’un nouveau système de propulsion ultrasilencieux et pas détectable par le sonar parce qu’il arrivait à éliminer la cavitation au niveau des hélices.

Maquettes et simulations

Mais comment étudier efficacement la cavitation ? Pour commencer, on peut utiliser des petites et des grosses maquettes, à partir de la section de l’aile d’un avion ou d’une pale de turbine que l’on place dans des tunnels hydrauliques comme ceux qui se trouvent à Grenoble et Paris. Autrement, on peut utiliser des simulations numériques, comme on fait à l’Institut PPRIME, laboratoire du CNRS conventionné avec l’université et l’ISAE-ENSMA.

Dans ce but, l’Agence nationale de la recherche (ANR) a financé, entre 2018 et 2022, le projet ASCA (Advanced numerical Simulation for Cavitation) chapoté par Eric Gonçalves, professeur des universités à l’ISAE-ENSMA et chercheur à l’Institut PPRIME.

Durant ces quatre années, l’équipe d’Eric Gonçalves a développé des modèles du phénomène de la cavitation et a mis à point des simulations dans le cadre de la production hydroélectrique. Les résultats ont été publiés sur la revue International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. L’équipe a également étudié le phénomène de la condensation des bulles, appelée en jargon technique collapse,  pour concevoir un modèle qui restitue les plus précisément possibles les mécanismes en jeu lors de l’érosion due à la cavitation, mais aussi la formation de poches de cavitation où les bulles se réunissent et peuvent produire un bruit intense quand la vapeur se recondense.

Comprendre pour prévoir

Pour comprendre l’étendue des dégâts que la cavitation peut produire, il convient de comprendre les dynamiques de la création de bulles et des poches. Les différents modèles et les simulations numériques conçus par Gonçalves ont été évalués et les résultats confrontés avec des données expérimentales existantes.

Les travaux des scientifiques permettent désormais de créer des modèles d’une précision croissante qui donnent des indications sur le fonctionnement des changements de phase. Il s’avère que le calcul numérique est un formidable outil d’aide à la conception des turbomachines et de prévision de l’impact de la cavitation sur les parois solides des conduites, des tuyaux métalliques et des hélices. Cela permettra de maîtriser et contrôler le phénomène pour chercher de le limiter.

En effet, la cavitation se produit aussi spontanément dans la nature : la crevette pistolet Alpheus dentipes, par exemple, crée une bulle de cavitation grâce à une pince surdimensionnée, et envoie ainsi à ses prédateurs et à ses proies une onde de pression qui les tue en une fraction de seconde. Or, ce phénomène complexe, bien que naturel, devient de moins en moins mystérieux grâce au projet ASCA de Poitiers.

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