Brevet FR2574548A1 — publié le 19860613

- 1 - Dispositif de mesure de la teneur d'un liquide en germes de cavitation Dans le domaine de l'hydrodynamique on rencontre des écoulements liquides qui sont appelés "cavitants", parce qu'une baisse locale de pression peut y engendrer des bulles de vapeur que la remontée ultérieure de pression peut faire disparaitre brutalement par implosion mais qui peuvent aussi s'accrocher à une paroi solide et croître en volume pour former une cavité. La cavitation, c'est-à-dire l'apparition de ces bulles, est un phénomène important: c'est lui, par exemple, qui limite souvent la puissance propulsive d'une hélice de bateau. Le comportement des écoulements cavitants est fortement influencé par la teneur en germes des liquides constituant ces écou- lements. Ces germes sont les points faibles de la structure desdits liquides. Ils peuvent être de nature connue ou inconnue, mais peuvent toujours en pratique être caractérisés par leurs pressions critiques. Celle-ci est la pression, inférieure à la tension de vapeur et le plus souvent négative, à laquelle il est nécessaire de soumettre le liquide autour d'un germe pour qu'il donne naissance à une bulle de vapeur. Dans un certain nombre de situations pratiques, par exemple pour essayer une hélice en laboratoire, il est nécessaire de mesurer la teneur des liquides utilisés en germes de diverses pressions critiques. Cette teneur en germes est le plus souvent représentée sous la forme d'un histogramme donnant une concentration cumulée en fonction d'une pression critique décroissante. La présente invention permet une telle mesure. La mesure de la teneur en germes d'un liquide est actuellement réalisée par deux types de méthodes: Les méthodes dites "non-cavitantes" sont utilisées dans le cas o la nature des germes est connue. Ce sont alors généralement des micro-bulles. On mesure une grandeur caractérisant leur dimension. Au moyen d'une formule de transposition, on en déduit leur pression critique. Parmi ces méthodes, on citera: l'holographie, la méthode électrique de COULTER et la méthode par diffusion de la lumière. Dans les méthodes dites "cavitantes" on force le liquide à -2 - passer à grande vitesse dans un venturi (tube de Venturi). Un venturi classique est formé d'un convergent conduisant à un col suivi d'un divergent; la section de passage du fluide est partout circulaire avec un diamètre minimal au col. On crée ainsi, au col de ce tube, une zone de pression minimale Pt réglable, éventuellement inférieure à la tension de vapeur du liquide. Lorsqu'un germe passe dans ledit tube, il est, ou non, excité, suivant que sa pression critique Ps est supérieure ou inférieure à Pt. En faisant varier Pt, grâce à une variation du débit d'eau passant dans le venturi, on excite des classes de germes de pressions critiques différentes, et l'on peut ainsi déterminer l'histogramme caractéristique de la population en germes, par détection et comptage des germes excités et mesure des pressions Pt et des débits d'eau. Ces méthodes cavitantes sont notamment décrites dans les documents suivants: - O.N.R. Symposium, Université Ann Harbor (Michigan) 1981. Communica- tion de Y.LECOFFRE et J.P. LEGOFF (Nuclei and cavitation". - Bulletin de l'A.I.R.H, Amsterdam 1982 "Aspects pratiques du contr8le de germes de cavitation en moyens d'essais" (LECOFFRE, MARCOZ, VALIBOUZE). Le dispositif selon la présente invention utilise une méthode cavitante. Les dispositifs existant actuellement et utilisant une telle méthode présentent trois défauts majeurs: 1 - Il existe une forte interaction entre les bulles se développant au col du venturi, et l'écoulement incident. De ce fait, à débit d'eau donné, la pression au col varie en fonction du temps et la précision des mesures est médiocre, en particulier lorsque les concentrations en germes actifs sont élevées ou lorsque la pression Pt est très faible. 2 - Les concentrations mesurables sont limitées à quelques germes par cm3, ce qui est insuffisant dans certaines applications. 3 - La réalisation de ces tubes de Venturi est délicate et leur fiabilité pose des problèmes graves. Plus précisément l'obtention d'une mesure fiable nécessite que leur état de surface soit excellent, ce qui nécessite de recourir à des méthodes d'usinage sophistiquées et -3- couteuses telles que certains polissages mécaniques ou électrolytiques. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de mesure de la teneur d'un liquide en germes de cavitation de manière à obtenir à faible colt des mesures précises et sures même lorsque la teneur en germes est élevée. Elle a pour objet un dispositif de mesure de la teneur d'un liquide en germes de cavitation, ce dispositif comportant - un conduit de dépression (2) pour ledit liquide, ce conduit présentant une longueur et un axe (4) selon la direction (6) de l'écoulement et comportant un tronçon amont (B) dans lequel la section de passage du liquide décroit jusqu'à une zone (C) à section de passage sensiblement minimale de longueur prédéterminée, et un tronçon aval (D, E) dans lequel la section de passage du liquide croit progressivement à partir de cette section minimale, - des moyens de circulation (8) pour faire circuler dans ce conduit un débit de ce liquide suffisant pour qu'il atteigne localement, dans ladite zone à section minimale (C) une pression minimale prédéter- minée (Pt) suffisamment basse pour que les germes de cavitation considérés, qui sont ceux en lesquels la teneur du liquide doit être mesurée, donnent naissance à des bulles de vapeur de volumes individuels suffisants pour qu'elles puissent être détectées individuellement, - des moyens (10) de détection des bulles ainsi créées, - des moyens (12) de comptage des bulles ainsi détectées, pour mesurer leur nombre dans un temps donné, - et des moyens (14, 16) pour connaitre le débit de liquide circulant dans ce conduit de manière que ladite teneur à mesurer puisse être déduite de ce nombre de bulles et de ce débit, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que ledit conduit de dépression (2) comporte un noyau déflecteur (18) disposé selon l'axe (4) de ce conduit et s'étendant au moins sur une partie de la longueur de son tronçon aval (D, E) de manière que la section de passage du liquide soit constituée sur la longueur de ce noyau par un passage annulaire (20) entre ce noyau et ce tube pour qu'une bulle - 4 - sphérique ne puisse occuper qu'une petite. fraction de la section de passage du liquide, ce passage annulaire présentant dans chaque section droite du conduit, des largeurs radiales (L) s'étendant selon les directions partant de l'axe du conduit, et une longueur circonfé- rentielle moyenne (2- pi.R) qui est celle de la ligne qui réunit les milieux de ses largeurs. Bien entendu les bulles susceptibles de se former n'auront pas nécessairement une forme exactement sphérique, mais cependant se rapprocheront de cette forme. Les signes de référence entre parenthèses renvoient à titre d'exemple aux figures. Une telle configuration permet de produire un écoulement conver- gent-divergent présentant les caractères utiles de l'écoulement de type connu dans un venturi, à savoir la diminution de la pression suivie d'une augmentation de la pression. Mais elle présente notamment l'avantage essentiel que la remontée en pression se fait sans risque de décollement de la couche limite (phénomène qui, lorsqu'il se produit, perturbe totalement le fonctionnement du dispositif), ceci même dans le cas d'une fabrication par des techniques traditionnelles d'usinage. Il s'agit bien entendu d'un usinage fin, qui ne nécessite cependant pas de soin particulier. Par ailleurs, la largeur du passage annulaire peut être ajustée de sorte que les interactions entre les bulles de cavitation et l'écou- lement incident soient très faibles. Grâce à cette largeur limitée plusieurs bulles peuvent grossir simultanément dans l'espace annulaire, ce qui permet de réaliser des taux de comptage élevés. Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particu- lières suivantes: - Les sections dudit noyau déflecteur (18) et du conduit (2) autour de ce noyau sont sensiblement circulaires et concentriques, le rayon de la section du noyau étant au moins égal à 70% du rayon intérieur du conduit qui l'entoure, sur au moins une partie de la longueur de ce noyau, de manière à limiter le diamètre maximal possible d'une bulle sphérique dans ledit tronçon aval. - 5- - Ledit noyau déflecteur (18) et le conduit (2) qui l'entoure présentent, sur au moins une partie (D) de la longueur dudit tronçon aval (D, E), la forme de deux surfaces sensiblement coniques coaxiales à diamètre croissant vers l'aval, de sorte que ladite croissance de la section de passage vers l'aval résulte au moins partiellement de la croissance de ladite longueur circonférentielle du passage annulaire (20), et elle en résulte de préférence encore, majoritairement ou totalement, ladite largeur radiale étant alors constante. - L'inclinaison du conduit (2) constituée par le demi angle au sommet de ladite surface conique du conduit est comprise entre 0 et 45 degrés dans au moins une partie amont (D) dudit tronçon aval (D, E), l'inclinaison dudit noyau déflecteur (18) constituée par le demi angle au sommet de ladite surface conique de ce noyau étant fonction de l'inclinaison choisie pour le conduit. - - Ledit noyau déflecteur (18) et le conduit (2) qui l'entoure présentent des variations d'inclinaison progressives à partir desdites surfaces coniques pour ne pas perturber l'écoulement dudit liquide. - Lesdits moyens de détection des bulles de vapeur sont des moyens acoustiques (10) pour détecter l'implosion de ces bulles dans ledit intervalle de passage annulaire (20), ces moyens étant disposés en aval et à distance de ladite zone de section minimale (C). A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va plus particu- lièrement décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être-mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. -30 La figure 1 représente une vue du conduit de dépression d'un dispositif selon l'invention, en coupe par un plan passant par l'axe de ce conduit. La figure 2 représente une vue de ce même conduit en coupe par un plan IIII de la figure 1, ce plan étant perpendiculaire à l'axe de ce conduit. -6- La figure 3 représente une vue de ce même conduit à échelle agrandie en demi-coupe par un plan III-III de la figure 1, ce plan étant perpendiculaire à l'axe de ce conduit. La figure 4 représente une vue générale du dispositif selon l'invention comportant ce même conduit. Le dispositif de mesure représenté comporte les dispositions précédemment mentionnées selon l'invention. Dans ce dispositif ledit conduit de dépression 2 est de révolution autour de son axe 4 et comporte divers tronçons qui sont énumérés ci-après en suivant le sens d'écoulement de l'eau qui constitue ledit liquide, ce sens étant représenté par la flèche 6. Ce sont: - un tronçon d'entrée A dans lequel la section de passage du liquide est circulaire et quasi constante, des entretoises 22 n'ayant qu'un encombrement négligeable. - Ledit tronçon amont à section décroissante B, - Ladite zone C à section minimale sensiblement constante, dans laquelle certains germes donnent naissance à des bulles de vapeur. Ces germes sont ceux dont la pression critique Ps est supérieure ou égale à la pression abaissée Pt créée dans cette zone par l'accélération de l'eau. Ceux de ces germes dont la pression critique est nettement supérieure à cette pression minimale Pt donnent naissance à de telles bulles dès le tronçon amont B. Ces bulles croissent rapidement en volume dans cette zone. - Ledit tronçon aval D dans lequel la section de passage croit et la pression remonte. Certaines bulles peuvent continuer à croître en volume dans la partie amont de ce tronçon, mais l'effet de la remontée de pression est de faire imploser brutalement toutes les bulles avant la sortie de ce tronçon. L'implosion de chacune d'elles crée une onde de choc qui se propage dans l'eau et dans la paroi du tube. - Un tronçon de sortie E dans lequel la section de passage croit encore en l'absence de bulles et dont le r8le est de faciliter la mise en circulation de l'eau à l'aval du dispositif. Ledit noyau déflecteur 18 est maintenu sur l'axe 4 du conduit de dépression 2 par deux groupes de trois entretoises radiales profilées, les unes 22 dans le tronçon d'entrée A du conduit, les autres 24 dans -7 son tronçon de sortie E. Ce maintien permet permet d'éviter toute vibration du noyau 18. La présence de ce noyau peut, comme représenté, faire que la section de passage minimale est atteinte en aval du col 26 du venturi qui serait formé par le conduit 2 sans son noyau. Cette section de passage est égale à la longueur circonférentielle 2 pi x R du passage annulaire 20 par sa largeur radiale L, le rayon moyen R et la largeur L de cet intervalle étant représentés sur la figure 3. Les effets bénéfiques de la présence de ce noyau semblent tenir notamment aux faits suivants: - Le noyau assure la déflexion des filets liquides vers l'extérieur avant la zone de pression minimale, ce qui tend à éviter un décollement de ces filets. - Le fait que les filets liquides soient parallèles aux parois dans le tronçon aval évite que des bulles s'accrochent à ces parois. - La petite largeur du passage annulaire 20 limite la vitesse de croissance des bulles les plus grosses. Tout d'abord ceci diminue la probabilité pour que deux bulles issues de germes différents se réunissent en une seule. Ensuite ceci limite l'énergie des ondes de choc créées plus en aval par l'implosion des plus grosses bulles ce qui d'une part facilite la détection des implosions des plus petites bulles. D'autre part cette limitation d'énergie diminue le risque que la propagation vers l'amont des ondes de choc créées par l'implosion des plus grosses bulles fasse apparaître des bulles sans germes dans la zone à section minimale. Conformément à la figure 4, sur laquelle des flèches 28 et 30 représentent l'entrée et la sortie de l'eau étudiée, lesdits moyens de circulation sont constitués par une pompe 8 représentée symboliquement, lesdits moyens de détection sont constitués par un détecteur acoustique 10, lesdits moyens pour connaître le débit liquide sont constitués par un appareil de mesure de débit 14 associés à un afficheur 16, et tous ces moyens sont placés en aval du conduit de dépression 2. Ce dernier est constitué de métal, par exemple de laiton poli. Il serait cependant constitué d'un matériau transparent rigide, tel qu'un -8polyméthacrylate de méthyle dans le cas o lesdits moyens de détection seraient de nature optique et détecteraient de la lumière diffusée par les bulles. D'autres matériaux connus seraient utilisés dans d'autres cas, par exemple dans celui o le liquide dont la teneur en germe doit être mesurée serait un métal liquide. La détection des bulles peut se faire encore par des méthodes électriques etc... Dans l'exemple de réalisation décrit on peut donner les valeurs numériques suivantes: - Débit d'eau 1 l/s - diamètre du tronçon d'entrée A: 20 mm Longueur du tronçon amont convergent B:15 mm - Diamètre au col apparent 26 du conduit 2:10 mm - 1/2 angle au sommet de ces deux cônes 20 degrés Largeur moyenne de l'intervalle entre ces deux cônes: I mm - Longueur de la zone à section minimale C: 15 mm - Longueur du tronçon aval D: 25 mm Ces diverses valeurs numériques aboutissent à donner-à la pression minimale Pt une valeur négative de - 5 bars environ dans le - cas o la pression dans le tronçon d'entrée A est égale à 5 bars. Une augmentation du débit entraine bien entendu une diminution correspondante de cette pression minimale. - 9 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure de la teneur d'un liquide en germes de cavita- tion, ce dispositif comportant - un conduit de dépression (2) pour ledit liquide, ce conduit présentant une longueur et un axe (4) selon la direction (6) de l'écoulement et comportant un tronçon amont (B) dans lequel la section de passage du liquide décroit jusqu'à une zone (C) à section de passage sensiblement minimale de longueur prédéterminée, et un tronçon aval (D, E) dans lequel la section de passage du liquide croit progressivement à partir de cette section minimale, - des moyens de circulation (8) pour faire circuler dans ce conduit un débit de ce liquide suffisant pour qu'il atteigne localement, dans ladite zone à section minimale (C) une pression minimale prédéterminée (Pt) suffisamment basse pour que les germes de cavita- tion considérés, qui sont ceux en lesquels la teneur du liquide doit être mesurée, donnent naissance à des bulles de vapeur de volumes individuels suffisants pour qu'elles puissent être détectées individuellement, - des moyens (10) de détection des bulles ainsi créées, - des moyens (12) de comptage des bulles ainsi détectées, pour mesurer leur nombre dans un temps donné, - et des moyens (14, 16) pour connaître le débit de liquide circulant dans ce conduit de manière que ladite teneur à mesurer puisse être déduite de ce nombre de bulles et de ce débit, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que ledit conduit de dépression (2) comporte un noyau déflecteur (18) disposé selon l'axe (4) de ce conduit et s'étendant au moins sur une partie de la longueur de son tronçon aval (D, E) de manière que la section de passage du liquide soit constituée sur la longueur de ce noyau par un passage annulaire (18) entre ce noyau et ce tube pour qu'une bulle sphérique ne puisse occuper qu'une petite fraction de la section de passage du liquide, ce passage annulaire présentant dans chaque section droite du conduit, des largeurs radiales (L) s'étendant selon les directions partant de l'axe du conduit, et une longueur circonférentielle moyenne (2 pi.R) qui est celle de la ligne qui - 10 - réunit les milieux de ses largeurs. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les sections dudit noyau déflecteur (18) et du conduit (2) autour de ce noyau sont sensiblement circulaires et concentriques, le rayon de la section du noyau étant au moins égal à 70% du rayon intérieur du conduit qui l'entoure, sur au moins une partie de la longueur de ce noyau, de manière à limiter le diamètre maximal possible d'une bulle sphérique dans ledit tronçon aval. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit noyau déflecteur (18) et le conduit (2) qui l'entoure présen- tent sur au moins une partie (D) de la longueur dudit tronçon aval (D, E), la forme de deux surfaces sensiblement coniques coaxiales à diamètre croissant vers l'aval, de sorte que ladite croissance de la section de passage vers l'aval résulte au moins partiellement de la croissance de ladite longueur circonférentielle du passage annulaire (20). 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite croissance de la section de passage résulte au moins majoritairement de la croissance de ladite longueur circonférentielle. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'inclinaison du conduit (2) constituée par le demi angle au sommet de ladite surface conique du conduit est comprise entre 0 et 45 degrés dans un moins une partie amont (D) dudit tronçon aval (D, E). 6/ Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit noyau déflecteur (18) et le conduit (2) qui l'entoure présentent des variations d'inclinaison progressives à partir desdites surfaces coniques pour ne pas perturber l'écoulement dudit liquide. 7/ Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de détection des bulles de vapeur sont des moyens acoustiques (10) pour détecter l'implosion de ces bulles dans ledit intervalle de passage annulaire (20), ces moyens étant disposés en aval et à distance de ladite zone de section minimale (C).