Contribution à la prévision de l'érosion de cavitation à partir de simulations numériques : proposition d'un modèle à deux échelles pour l'estimation du chargement imposé en paroi par le fluide

Lors du fonctionnement d'une installation hydraulique, l'apparition de zone de cavitation dans l'ecoulement peut entrainer un endommagement important sur la surface des materiaux. La quantification de l'intensite de cavitation sur les composants hydrauliques serait utile a la fois pour mieux concevoir les nouveaux equipements en projet, mais aussi pour ameliorer la conduite et optimiser la maintenance des materiels existants. Au vu du grand nombre de parametres regissant les ecoulements cavitants, l'elaboration de lois de similitudes universelles a partir d'experiences est delicate. Avec l'augmentation des moyens de calculs, la simulation numerique est un outil pour etudier ce phenomene sur des geometries variees. La principale difficulte de cette demarche reside dans la difference d'echelles existant entre les simulations numeriques U-RANS servant a simuler l'ecoulement cavitant et les mecanismes d'implosion de bulles juges responsables de l'endommagement sur le solide. La methode proposee dans ce manuscrit s'appuie sur un post-traitement des simulations U-RANS afin de caracteriser une distribution de bulles et de simuler leurs comportements a de plus petites echelles spatiales et temporelles. Dans un premier temps, notre travail consiste a expliciter les equations locales de conservation de masse, de quantite de mouvement et d'energie pour un ecoulement liquide/gaz comprenant deux especes eau/air. Ce travail mene a l'elaboration de grandeurs de melange prenant notamment en compte la presence de gaz incondensables au sein du fluide. Des hypotheses permettent de rendre ce systeme equivalent a ceux, utilisant une approche homogene, implementes dans les codes de simulations d'ecoulements cavitants instationnaires developpes precedemment au laboratoire. La caracterisation des populations de bulles effectuee par le post-traitement prend ainsi en consideration a la fois la tension superficielle et la presence de gaz incondensables. Dans un deuxieme temps, l'elaboration d'un code de calcul permettant la simulation de la dynamique d'un nuage de bulles est debutee. Ce dernier a pour ambition de tenir compte a la fois des interactions entre les bulles et des deformations non spheriques que celles-ci peuvent subir a l'aide d'une methode potentielle. Des premiers resultats de simulations sont presentes dans ce manuscrit et permettent de tenir compte de faibles deformations des bulles. La derniere etape de ce travail consiste a proposer une methode de chainage entre ces deux echelles en initialisant le calcul de dynamique de bulles a l'aide des resultats du calcul U-RANS. L'energie emise lors de l'implosion des bulles et impactant la surface solide est ainsi calculee, caracterisant de ce fait le chargement impose par l'ecoulement sur le materiau. Cette methode est par la suite appliquee sur differentes geometries en comparant a chaque fois les resultats obtenus a des experiences. Nous comparons egalement nos resultats a des methodes precedemment etablies au sein du laboratoire afin d'evaluer la pertinence de cette approche.