Prédiction de l'érosion de cavitation par une méthode multi-échelle

Ce projet porte sur la prédiction de l'érosion de cavitation permise par l'implémentation d'un modèle numérique. Celle-ci doit permettre de déterminer quelles seront les zones les plus menacées par le phénomène ainsi que de quantifier de manière relative l'érosion de cavitation. Dans le domaine des turbines hydrauliques, la cavitation, caractérisée par l'apparition de bulles qui ont un pouvoir érosif lorsqu'elles implosent, a des conséquences néfastes pour les installations. En effet, des vibrations sont rencontrées, du bruit est engendré et des dégradations du matériel par érosion sont inévitables. Les machines sont alors endommagées, ce qui réduit leurs durées de vie. Bien que le phénomène soit connu, il convient de l'appréhender de manière suffisamment complète afin de le contraindre efficacement, notamment grâce au développement de nouveaux procédés. Ainsi, anticiper l'impact de l'érosion sur les surfaces matérielles est motivé tant par des raisons technologiques qu'économiques. Cette aspiration est néanmoins rendue difficile par le fait que le problème implique deux échelles distinctes : l'échelle de l'écoulement, dite macroscopique, ainsi que l'échelle des bulles, dite microscopique. Ce travail vise à mettre en place le modèle de prédiction choisi grâce à l'utilisation couplée de deux outils : un solveur fluide commercial (CFX), ainsi qu'un module Python. L'enjeu est ici de proposer une démarche numérique optimisée reposant sur ces dispositifs et permettant d'obtenir les résultats recherchés, à savoir la localisation ainsi que la quantification de l'érosion de cavitation pour la configuration à l'étude. Les étapes de validation ont été menées sur des cas d'étude constitués de profils d'aile dans des veines d'essai pour lesquels des résultats expérimentaux étaient disponibles dans la littérature. Une méthode hiérarchisée en plusieurs étapes détaillées ci-dessous a été suivie : 1. Détermination, mise en place et validation de la démarche relative à l'échelle macroscopique 2. Mise en place des calculs relatifs à l'échelle microscopique nécessaires à la détermination du coefficient d'érosion de cavitation 3. Visualisation des résultats et comparaison avec les données de la littérature

Abstract

This project relates to the prediction of cavitation erosion done with the implementation of a numerical model. The work aims at predicting two aspects of the phenomenon: determining areas most endangered and quantifying cavitation erosion in a relative way. In hydraulic turbines, cavitation, characterized by the apparition of bubbles which have an erosive power when they implode, has unwanted consequences. Indeed, vibrations, noise and material degradation are at stake. This is damaging for hydraulic machinery and threatens the lifespan of every installation. Even if this issue is relatively well-known, it should be noted that gaining a better picture of the phenomenon is needed to limit adequately its impact, through the development of new processes. Thus, developing a method which can anticipate this phenomenon with good accuracy is vital from the designer's perspective for both technological and economical reasons. Nevertheless, attaining this objective is complicated by the fact that this is a two scales problem: a macroscopic one, flow related, and a microscopic one, centered on bubbles. This work aims at implementing a cavitation erosion prediction model thanks to the combined use of a commercial solver (CFX) and a Python module. The challenge is to propose an optimized numerical method based on these tools to obtain the expected results, which are the localization and the quantification of cavitation erosion for the studied configuration. Validation steps were conducted on case studies composed of foils in water tunnels for which experimental results were available in the literature. The several stages of the used method are enumerated as follows: 1. Determination, implementation and validation of the macroscopic approach 2. Implementation of the calculations for the microscopic scale which are needed for the determination of the cavitation erosion coefficient 3. Visualization of the results and comparison with reference data