Brevet FR2596520A1 — publié le 19871002

MéTHODE D'ETUDE DE LA CAVITATION ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La méthode et le dispositif qui font l'objet de l'invention concernent l'étude des phénomènes de cavitation qui résultent des interactions entre les parois d'un corps solide et un liquide en déplacement relatif par rapport à ce corps solide. Ces phbnomènes de cavitation se produisent, par exemple, dans les zones de basse pression des aubes des turbines hydrauliques et des pales d'hélice de propulsion des bateaux. Ils ont une influence defavorable sur le rendement de ces turbines ou de ces hélices, ils provoquent des vibrations et aussi ltérosion des matériaux. De très nombreux facteurs interviennent dans l'apparition des phénomènes de cavitation : vitesse moyenne du dEplacement relatif du fluide par rapport au corps solide, propriétés physiques de ce fluide et en particulier sa tension de vapeur, taux de turbulence, rugosité des parois du corps solide, etc.L'accroissement des performances des machines hydrauliques se traduit par un accroissement correspondant des vitesses relatives des parois des corps solides par rapport aux liquides avec lesquels elles sont en contact. Aussi est-il impossible d'éviter totalement les phenomenes de cavitation. Il est par contre nécessaire d'étudier, dès le stade de la conception de ces machines, les caractéristiques des phénomènes de cavitation qui se produiront afin d'en maitriser les consequences. L'étude experimentale de ces phénomènes de cavitation est generalement effectuée au moyen de tunnels hydrodynamiques dans lesquels on pe ut loger soit des modèles de machines hydrauliques, soit des elements de ces mêmes machines, tels que pales d'hélices, ogives, venturis ou autres.Les chambres d'experinentation de ces tunnels sont géneralement de section circulaire ou rectangulaire, les filets de liquide s'écoulant sensiblement en ligne droite, en dehors des zones d'interaction avec les modeles ou éléments de machines hydrauliques experimentes. De tels tunnels sont en particulier décrits dans l'ouvrage intitule "Cavitation" de Knapp, Daily, et Uammit édité par Mc Graw Hill en 1970. Ces tunnels sont particulièrement couteux à realiser et à mettre en oeuvre. En effet, on doit pouvoir faire varier la vitesse d'ecoulement du liquide, et éventuellement aussi sa pression, sa température et aussi sa teneur en gaz dissous ou occlus. Pour obtenir dans la chambre d'essai un écroulement regulier du liquide, on doit prevoir une distance relativement grande entre l'orifice de refoulement de la pompe qui fait circuler le liquide et l'entree de la chambre d'essai.De plus, pour eviter la cavitation de la pompe, il y a intérêt à placer la chambre d'essai à une relativement grande distance verticale au dessus de cette pompe afin d'accroître la pression du liquide au niveau de cette derniers. On est donc oblige de mettre en oeuvre de très grands volumes de liquide dont il est difficile de faire varier la vitesse d'ecoulement, la pression, la temperature et, eventuellement, la composition. On peut dire que toute intervention, en vue de modifier un paramètre experimental, est rendue mal aisee et couteuse par la tres grande inertie de telles installations d'essais. On a recherche la possibilite de mettre au point une methode d'étude de la cavitation qui permette de mettre en oeuvre de tres faibles volumes de liquide, par rapport aux dimensions du module ou du composant experimenter, afin de réduite au minimum l'inertie du dispositif d'essai. On a recherche aussi les moyens de faire varier de façon rapide et aisee les principaux parametres qui agissent sur les phénomènes de cavitation, c'est-a-dire la vitesse du liquide, sa temperature et sa pression. On a recherché aussi la possibilite de mettre en oeuvre des liquides varies tels que des liquides corrosifs, ou encore des liquides températures de fusion elevees tels que des sels fondus ou certains métaux.On a recherche enfin le moyen de faire circuler le liquide en circuit ferme, sans faire appel à une installation de pompage. ta méthode et le dispositif d'etude de la cavitation qui font l'ob- jet de l'invention, permettent de resoudre le probleme ainsi pose dans son ensemble. Cette methode consiste à introduire le liquide dont on veut etudier les interactions avec un corps solide determiné, dans une enceinte, ayant une forme générale de révolution, qu'on fait tourner autour de son axe, de façon à entraîner en rotation le liquide contenu. On loge le corps solide à l'intérieur de l'enceinte de façon qu'il soit immerge au moins partiellement dans le courant liquide en rotation. Ce corps solide est monté sur un support independant de l'enceinte. De preference, l'axe de l'enceinte est vertical. Avantageusement, l'enceinte est reliee par une canalisation à un moyen de réglage de la pression qui regne au dessus du liquide, la liaison entre enceinte et canalisation comportant un joint dynamique tel qu'un joint torique ou à levre.Avantageusement egalement, la vitesse de rotation de enceinte est reglable. De preference, l'entraînement en rotation du liquide est effectue par la plus grande partie de la surface intérieure de I'enceinte, en particulier dans la zone qui défile autour du corps solide, de façon que la vitesse angulaire des filets de liquide qui viennent frapper le corps solide, ne varie d'un point à un autre que dans des limites relativement étroites. Les phénomènes de cavitation ainsi créés peuvent être observés par des moyens acoustiques et aussi, façon particulierement avantageuse, par des moyens optiques, depuis l'extérieur de l'enceinte, en munissant celle-ci d'une paroi dont une zone au moins est transparente. Les vitesses peuvent être mesurees par anémométrie laser. Les effets des phé noumènes de cavitation sur la trainée du corps solide dans le liquide peuvent être mesurés soit par les variations du couple exercé par un moyen moteur qui est relié à l'enceinte de façon à l'entraîner en rotation, soit par la variation correspondante de la poussée exercée par le corps solide sur son support. Les dimensions et les caractéristiques générales du dispositif suivant l'invention dépendent de celles du corps solide qu'il s'agit de mettre en interaction avec un liquide déterminé. Le choix des matériaux et la structure de l'enceinte doivent tenir compte de la nature du liquide et des conditions opératoires, telles que, en particulier, la température et la pression. L'enceinte est entrainée en rotation autour de son axe par un moyen moteur tel qu'un moteur électrique. La transmission est effectuée, de façon connue, par courroie ou engrenage ou autres. De préférence la vitesse de rotation de l'enceinte est réglable et peut être stabilisée avec une précision suffisante à l'intérieur d'une plage de réglage déterminée. De préférence également le support indépendant de l'enceinte, sur lequel est monté le corps solide, comporte un prolongement qui traverse au voisinage de l'axe une ouverture ménagée dans la paroi de ltenceinte. De préférence également l'enceinte est réalisée, au moins en partie, en un matériau transparent, par exemple le polymétacrylate de méthyl ou encore un verre. Avantageusement également l'enceinte est reliée à un moyen de réglage de la pression qui regne au dessus du liquide. Ce moyen est par exemple une pompe à vide ou, au contraire, un compresseur. Avantageusement également un moyen de chauffage et/ou de refroidissement permet de régler la température du liquide. Ce moyen est logé à l'intérieur de 11 enceinte ou dans la paroi de celle-ci ou encore dans le support du corps solide. Ce support présente avantageusement la forme d'un plateau circulaire ou encore toute autre forme appropriée Avantageusement, ce support peut comporter des moyens permettant de modifier la position du corps solide, par exemple son orientation par rapport au courant liquide, ou encore son emplacement à l'intérieur de l'enceinte. De préférence l'enceinte comporte une chambre d'étude dans laquelle pénotre le corps solide. Cette chambre est séparée de la zone de l'enceinte dans laquelle se trouve le support du corps solide par une cloison solidaire de l'enceinte. Une ouverture annulaire à travers cette cloison permet le passage du corps solide dans la zone où il se -raccorde au support. Suivant les typés- d'applications envisagés on peut utiliser pour réaliser l'enceinte une très grande variété de matériaux tels que, par exemple, des matieres plastiques, des métaux ou alliages, des matériaux composites. Dans le cas où on met en oeuvre un liquide corrosif, on peut utiliser, aux températures voisines de l'ambiante, des matieres plastiques convenables, de l'aluminium allié ou non, des aciers inoxydables ou tous autres matériaux adaptés. Dans le cas où on effectue des études sur des liquides portés à haute température, tels que des sels fondus ou certains métaux liquides, on peut utiliser des enceintes métalliques dont la nature dépend des caractéristiques de ces liquides et du niveau de température. Les enceintes peuvent comporter des fenêtes en verres spéciaux. La pression du liquide au voisinage du corps solide peut etre modifiée, à vitesse de rotation constante de l'enceinte, en faisant varier le taux de remplissage de celle-ci par le liquide, ou encore en faisant varier la pression qui règne au-dessus du liquide. On peut aussi modifier la distance du corps solide par rapport à l'axe de l'enceinte. De très nombreuses modifications peuvent être apportées à la méthode et au dispositif qui font l'objet de l'invention sans sortir du domaine de celle-ci. L'exemple et la figure jointe décrivent de façon non limitative un mode particulier de réalisation du dispositif suivant l'invention. Figure unique : w e vue en élévation et en coupe du dispositif suivant l'invention. Ce dispositif comporte une enceinte (1), de révolution, entrainée en rotation autour d'un axe (X1-X1) par un moyen moteur non représenté relié à la poulie (2) par une courroie non représentée également. La paroi inférieure (3) de l'enceinte comporte une ouverture annulaire à travers laquelle passe le prolongement (4) du support (5) du corps solide (6). Dans le cas du dispositif ainsi représenté le support (5) est fixe et son prolongement est solidarisé avec une embase (7) qui soutient l'ensemble.- Un manchon (8), solidaire de la paroi (3) de l'enceinte, est monté en rotation par l'intermédiaire des paliers (9,10) sur le prolongement (4). Une cloison en deux parties (11, 12), solidaire de l'enceinte, sépare la zone de celle-ci qui contient le support (5) qui a la forme d'un plateau circulaire, d'avec la chambre d'étude (13). La partie (11) de la cloison est fixée à la paroi latérale (14) de l'enceinte et la partie (12) de cette même cloison à la paroi supérieure (15) de l'enceinte. Des passages (16, 17) mettent en communication espace intérieur de l'enceinte avec une pompe à vide non représentée par l'intermédiaire d'une canalisation fixe (18) engagée dans un raccord tubulaire (19), solidaire de la paroi (15), lequel raccord tourne autour de la canalisation (18) de façon étanche grâce à des joints dynamiques (20). Un joint dynamique (25), tel qu'un joint à lève, assure l'étanchéité entre le manchon (8) et le prolongement (4).Un espace annulaire (21), de largeur "e", sépare les deux parties (11) et (12) de la cloison ; ses dimensions sont adaptées à celles du corps solide (6) à tester de façon à lui laisser le passage pendant la rotation de ltenceinte. La distance radiale de cet espace (21) à l'axe (X1 - X1) est également adaptée à l'emplacement choisi pour le corps solide. Une bride (22), muni d'un joint d'étanchéité (23) et de boulons d'assemblage non représentés, permet un montage et un démontage facile de la paroi supérieure (15). Dans le cas de la figure le corps solide (6) est vissé en (24) dans le support (5). Bien d'autres modes de montage de ce corps solide sur son support peuvent être envisagés, permettant par exemple sa rotation autour d'un axe et/ou encore un glissement radial.Le volume de liquide logé dans l'enceinte peut aussi être determiné en fonction des conditions opératoires de façon à obtenir, dans les conditions d'essai, une plus ou moins grande pression au sein du courant liquide au voisinage du corps solide, Le volume de liquide doit etre au minimum, celui qui est nécessaire pour recouvrir le corps solide (6), lorsque l'enceinte tourne, de façon à plaquer le liquide contre la paroi (14) et les zones adjacentes des parois (15), (3), (11), et (12). On peut aussi remplir completement l'enceinte de liquide. Pour les utilisations à température voisine de l'ambiante la paroi supérieure (15) est, de préférence, en un matériau transparent tel que le polymétacrylate de méthyl. Les autres parois sont avantageusement en un métal tel que l'acier inoxydable. Elles peuvent aussi être réalisées en une matière plastique. Le corps solide (6) et son support peuvent aussi être réalisés dans les mêmes matériaux. En l'absence de corps solide dans l'enceinte, la vitesse angulaire du courant liquide se stabilise rapidement à une valeur pratiquement égale à celle de l'enceinte à l'intérieur de la chambre d'étude (13). La présence d'un corps solide (6) en interaction avec ce courant liquide ralentit la vitesse d'écoulement de celui-ci. Le ralentissement est fonction de la forme et des dimensions du corps solide. Il est 1 possible de mesurer de façon connue la vitesse du liquide au voisinage du corps solide. La vitesse d'entrainement en rotation de l'enceinte dépend des conditions expérimentales. Dans le cas par exemple dtune enceinte de 0, 24 m de diamètre intérieur, on peut utiliser des vitesses de rotation réglables dans un intervalle de 200 à 2000 tours par minute. On peut effectuer les essais en maintenant au dessus du liquide une pression ou une dépression constante. On peut aussi étudier l'influence de pressions ou dépressions variables, voire cycliques. REVENDICATIONS 1) Méthode d'étude des phénomènes de cavitation résultant des interactions qui se produisent entre un liquide et un corps solide, im mergé au moins partiellement dans ce liquide, le liquide et le corps solide étant en déplacement relatif l'un par rapport à l'autre, caractérisée en ce que on introduit le liquide dans une enceinte (1), ayant une forme générale de révolution, que l'on fait tourner autour de son axe (X1 - X1) de façon à entraîner en rotation le liquide contenu et en ce que on loge le corps solide (6) à l'intérieur de cette enceinte, de façon l'immerger, au moins partiellement, dans le courant liquide en rotation, ce corps solide étant monté sur un support (5), indépendant de l'enceinte. 2) Méthode suivant revendication 1 caractérisée en ce que on règle au moins un des parametres suivants : vitesse de rotation de l'enceinte, température du liquide, pression qui règne au dessus du liquide. 3) Méthode suivant revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que on observe les phénomènes de cavitation par des moyens optiques et/ou acoustiques. 4) Méthode suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que on calcule la traînée du corps solide par mesure du couple d'entraînement en rotation de l'enceinte ou par mesure de la poussée exercée par le corps solide sur son support. 5) Méthode suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que on modifie la position ou ltemplacement du corps solide à l'intérieur de 1' enceinte. 6) Dispositif permettant l'étude des phénomenes de cavitation résultant des interactions qui se produisent entre un liquide et un corps solide, immergé au moins partiellement dans ce liquide, le liquide et le corps solide étant en déplacement relatif l'un par rapport à l'autre, carac térisé en ce que le liquide est contune dans une enceinte (1), ayant une forme générale de révolution, montée en rotation autour d'un axe (X1 - X1) et reliée à un moyen moteur permettant de la faire tourner autour de cet axe et en ce que le corps solide (6) est immergé au moins en partie dans le liquide et est monté sur un support (5) indépendant de 1 'enceinte. 7)Dispositif suivant revendication 6 caractérisé en ce que le support (5) du corps solide (6) comporte un prolongement (4) qui traverse une ouverture ménagée dans la paroi de l'enceinte au voisinage de son axe. 8) Dispositif suivant revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que au moins une zone d'au moins une des parois de l'enceinte est réalisée en une matière transparente telle qu!un verre ou du polymétacrylate de méthyl. 9) Dispositif suivant l'une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que il comporte un moyen de chauffage ou de refroidissement permet tant le réglage de la température du liquide. 10) Dispositif suivant l'une des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que il comporte un moyen de réglage de la pression qui regne au dessus du liquide qui est relié à l'enceinte par une canalisa tion munie d'un joint dynamique (20).