Simulating Cavitation Bubble Dynamics: Acoustic Interactions and Characterization of the Onset of Cavitation

Ce projet traite de deux thématiques associées à la modélisation d'ordre réduit du phénomène de cavitation. Premièrement, un nouveau modèle rendant compte du temps de propagation des ondes acoustiques émises par des bulles de cavitation au sein d'un cluster est proposé. Ce modèle est basé sur l'approximation quasi-acoustique, permettant de prendre en compte la compressibilité du liquide jusqu'au premier ordre du nombre de Mach. Un ensemble d'équations représentant la dynamique radiale, les émissions acoustiques et les interactions résultantes entre des bulles de cavitation est obtenu. Une sélection de cas tests incluant des clusters de bulles monodisperses et polydisperses, choisie pour représenter un spectre représentatif de scénarios de cavitation, est considérée afin de valider la pertinence du modèle développé. En premier lieu, les résultats obtenus avec ce nouveau modèle sont en excellent accord avec des résultats caractéristiques de la dynamique des systèmes de bulles en interaction précédemment étudiés dans la littérature, comme la forte influence des bulles les plus grandes sur leurs voisines plus petites. En second lieu, des différences notables avec le modèle standard d'interactions instantanées sont observées dans les cas impliquant des clusters denses et larges. Ces différences résultent d'une compétition entre la période caractéristique de l'excitation et le temps caractéristique de propagation des ondes de pression irradiées par les bulles à travers le cluster, donnant naissance à des dynamiques plus riches et complexes. Dans un second temps, une méthodologie est proposée afin de caractériser les conditions de pression permettant l'amorçage de cavitation. Ce phénomène est défini comme un état instable dans lequel une bulle de cavitation connaît une expansion rapide sans limite possible lorsque le liquide est mis en tension. La méthodologie repose sur un seuil dynamique, le rayon d'équilibre instable, dépendant des propriétés intrinsèques du système gaz-liquide. En considérant deux variations de pression, une chute de pression mettant le liquide en tension permanente et une unique pulsation de tension, un environnement adimensionnel est construit afin de caractériser la tension critique permettant l'amorçage de cavitation indépendamment du liquide ou de la taille initiale de la bulle. Pour une bulle isolée, le seuil de Blake, un seuil de tension quasi-statique pour l'amorçage de cavitation, est une limite supérieure de tension dans le cas d'une chute soudaine de pression et une limite inférieure pour une unique pulsation de tension. La tension critique converge vers le seuil de Blake à mesure que la durée caractéristique du changement de pression augmente. En prenant en compte les émissions acoustiques générées par une bulle voisine, la tension critique augmente par rapport au cas d'une bulle isolée. Cette augmentation est d'autant plus forte que la bulle voisine est proche et plus grande que la bulle étudiée.