Sommaire de la page
- Qu'est-ce que la cavitation ?
- Condition de cavitation et NPSH disponible
- Hauteur d'aspiration de l'eau selon sa température
- Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
- Le phénomène de cavitation, d' implosion qui fait caviter…
- Histoire de la découverte : des hélices de la Royal Navy…
- Questions fréquentes
Qu'est-ce que la cavitation ?
La cavitation est la formation de bulles de vapeur dans un liquide dont la pression locale descend au-dessous de sa pression de vapeur saturante : le liquide bout sans être chauffé. Entraînées vers une zone de pression plus élevée, les bulles implosent violemment, d'où bruit de gravier, vibrations, chute de débit et de hauteur, et érosion rapide des roues de pompe, des hélices et des foils. Dans une pompe, elle apparaît à l'aspiration quand le NPSH disponible de l'installation est inférieur au NPSH requis ; sur une hélice ou un profil, dans les zones de dépression de l'extrados.
Condition de cavitation et NPSH disponible
- Pvapeur : pression de vapeur saturante du liquide à sa température, en Pa (eau à 20 °C : 2 339 Pa)
- Patm : pression absolue à la surface du réservoir d'aspiration (pression atmosphérique, 101 325 Pa au niveau de la mer, plus la pression du réservoir s'il est fermé)
- Haspiration : hauteur de la pompe au-dessus de la surface aspirée, en m (négative si la pompe est en charge) ; ΔHaspiration : pertes de charge de la conduite d'aspiration, en m
- NPSH : hauteur nette positive à l'aspiration, en m ; condition : NPSHdisponible ≥ NPSHrequis de la pompe + 0,5 m
- σ (sigma) : nombre de cavitation d'un profil ou d'une hélice, sans unité ; cavitation dès que le coefficient de pression local atteint −σ ; V : vitesse de l'écoulement, en m/s ; ρ : masse volumique, en kg/m³ ; g = 9,81 m/s²
Hauteur d'aspiration de l'eau selon sa température
| Température de l'eau | Pression de vapeur saturante | Hauteur d'aspiration théorique maximale | Hauteur d'aspiration pratique |
|---|---|---|---|
| 10 °C | 1 228 Pa (12 mbar) | 10,2 m | 6,2 m |
| 20 °C | 2 339 Pa (23 mbar) | 10,1 m | 6,1 m |
| 40 °C | 7 384 Pa (74 mbar) | 9,7 m | 5,7 m |
| 60 °C | 19 940 Pa (199 mbar) | 8,4 m | 4,4 m |
| 80 °C | 47 390 Pa (474 mbar) | 5,7 m | 1,7 m |
| 100 °C | 101 325 Pa (1 013 mbar) | 0 m | impossible : pompe en charge obligatoire |
Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
Le phénomène de cavitation, d' implosion qui fait caviter les pompes les hélices explications:
La cavitation est une évaporation, un passage de l'etat liquide à l'atat gazeux. Il est possible de faire évaporer un liquide, sans varier sa température, en abaissant la pression ambiante au-dessous de la pression de vapeur saturante.
Lorsque l'on aspire un liquide dans un conduit on crée une dépression, si cette baisse de pression fait descendre la pression du liquide au-dessous de sa pression de vapeur saturante, le liquide se met en ébullition. (Production de vapeur) On appelle ce phénomène la cavitation. Cette dépression vaporisant l'eau, est atteinte lorsque l'on veut aspirer une colonne d' eau avoisinant les 10 mètres, l'eau soumise a cette aspiration, cavite, elle se vaporise et libère du gaz qui comble la dépression. Il est ainsi impossible de pomper de l'eau à plus de 8-10 mètres de profond en l'aspirant depuis le haut.
Pour éviter la cavitation lors du pompage, Il faut donc pomper le fluide par refoulement, et placer la pompe dans le fond du puits... Ces baisses de pressions au dessous de la pression de vapeur saturante peuvent être très localisées par exemple sur les extrados des profils immergés ou dans les zones rétrécies de dispositif de pompage : Bernoulli nous dit que L'acceleration du fluide génère une baisse de pression.....Ces baisses de pression internes des pompes sont décrites par le NPSH de la pompe.
La cavitation est une formation de bulles de vapeur due à une baisse de pression.
En se formant ces bulles augmentent le volume de fluide présent dans la zone de basse pression ce qui à pour effet d' augmenter la pression en certains endroits où la bulle de gaz se condense violemment en implosant. Les chocs crées par l' éclatement des bulles détruisent les parois des organes en contact avec le fluide. Une pompe qui Cavite s' use rapidement.
La cavitation doit être évitée, et dans la conception d'un propulseur ceci doit être vérifié. La majeure partie des informations sur les caractéristiques de cavitation des propulseurs est obtenue à partir des essais de modèles. Ils sont réalisées dans des tunnels de cavitation où la pression ambiante peut être réduite de manière à provoquer cette cavitation dans des conditions d' observation contrôlées. La cavitation sur les helices peut etre predite suivant la depression calculées sur les profiles(voir modelisation cavitation helices et foils)
Un autre phénomène est à prendre en compte en hydrodynamique ou en pompage: la ventilation
Pour en savoir plus: la cavitation sur les hélices et hydrofoils avec Heliciel.
Avec MECAFLUX standard il est possible de controler si le systeme de pompage risque de caviter:
Détection de cavitation d'apres les paramètres du réseau et de la pompe:
Lorsque vous entrez les paramètres du réseau et du fluide les résultats s' actualisent et mettent ainsi en évidence une éventuelle cavitation du réseau ou de la pompe. La fenêtre de cavitation passe au rouge et indique si c'est votre pompe ou votre conduit qui cavite
Dans cette partie de la fiche de résultats en voit entre autres que la pompe ne Cavite pas et qu ' elle consomme 1845 KW pour un rendement de 0.9, par contre il y a une cavitation de conduite, car le cumul des pertes de charges à l' aspiration et de la hauteur d' aspiration fait chuter la pression dans la conduite au dessous de la pression de vapeur saturante!
Histoire de la découverte : des hélices de la Royal Navy à l'équation de Rayleigh-Plesset
La cavitation a été découverte par ses dégâts. À la fin du XIXe siècle, les navires les plus rapides du monde n'atteignent pas leur vitesse prévue, et leurs hélices s'usent comme rongées. Les ingénieurs de marine britanniques donnent un nom au phénomène en 1895, et la physique de la bulle qui implose n'est mise en équations qu'entre 1917 et 1949.
Les préalables : un liquide peut-il « se rompre » ?
Dès 1754, Leonhard Euler, étudiant les roues hydrauliques à réaction, avertit que si la pression de l'eau descend trop bas dans la machine, l'eau risque de se séparer des parois et la machine de perdre son efficacité. Le théorème de Bernoulli (1738) explique pourquoi : là où le liquide accélère, sa pression baisse. Le XIXe siècle établit l'autre pièce du puzzle : un liquide bout dès que sa pression descend à sa pression de vapeur saturante, même à température ambiante.
En 1873, Osborne Reynolds étudie l'emballement des machines de navires à hélice, quand l'hélice aspire de l'air et perd sa poussée. En 1894, il montre qu'une eau qui traverse un tube rétréci, comme un Venturi, se met à « bouillir » bruyamment au col sans être chauffée.
HMS Daring et Turbinia : la découverte par l'échec (1893-1897)
En 1893-1894, le contre-torpilleur HMS Daring, construit par Thornycroft, n'atteint pas la vitesse prévue malgré la puissance de ses machines. John Thornycroft et l'ingénieur Sydney Barnaby comprennent qu'au-delà d'une certaine vitesse de rotation, des cavités de vapeur se forment sur les pales et l'hélice « patine ». En agrandissant la surface des pales, donc en diminuant la dépression qu'elles créent, ils retrouvent la vitesse attendue. Le mot cavitation, proposé par l'ingénieur R. E. Froude, est popularisé par Barnaby.
Au même moment, Charles Parsons équipe le petit navire Turbinia de sa nouvelle turbine à vapeur. Les premiers essais de 1894 déçoivent : l'hélice unique, tournant très vite, cavite. Parsons construit en 1895 le premier tunnel de cavitation pour observer ses hélices, puis répartit la puissance sur trois arbres portant chacun trois hélices. En juin 1897, à la revue navale de Spithead, Turbinia file à plus de 34 nœuds devant l'Amirauté stupéfaite.
Rayleigh explique l'érosion (1917)
Les hélices des grands paquebots et navires de guerre du début du XXe siècle présentent une érosion profonde, en forme d'éponge. Pendant la Première Guerre mondiale, l'Amirauté britannique demande à Lord Rayleigh, prix Nobel de physique, d'en trouver la cause. En 1917, il calcule l'effondrement d'une cavité sphérique vide dans un liquide : la vitesse de la paroi de la bulle croît sans limite à la fin de l'implosion, et la pression locale atteint des milliers d'atmosphères. Ce sont ces implosions répétées, au contact de la paroi, qui arrachent le métal.
Des turbines et des pompes à l'équation de Rayleigh-Plesset
- Années 1920. À Munich, Dieter Thoma définit un coefficient de cavitation σ pour les turbines hydrauliques, qui fixe à quelle profondeur placer la roue sous le niveau aval.
- Années 1930. Les fabricants de pompes introduisent le NPSH, qui compare la pression disponible à l'aspiration à celle dont la pompe a besoin pour ne pas caviter.
- 1949. Milton Plesset, au California Institute of Technology, ajoute à l'équation de Rayleigh la vapeur, le gaz dissous, la tension superficielle et la viscosité : c'est l'équation de Rayleigh-Plesset, base de la modélisation des bulles.
- Années 1960. La photographie ultra-rapide montre qu'une bulle qui implose près d'une paroi forme un microjet de liquide qui frappe la surface à grande vitesse : c'est le second mécanisme de l'érosion.
Son impact, hier et aujourd'hui
- La conception des hélices. La cavitation fixe la charge admissible sur une pale. La surface des pales, leur profil et leur vitesse en bout sont choisis pour l'éviter, ou pour la maîtriser sur les hélices supercavitantes des bateaux très rapides. Voir la cavitation des hélices et des hydrofoils.
- Les installations de pompage. Le calcul du NPSH disponible, avec la pression atmosphérique, la hauteur d'aspiration et les pertes de charge, est devenu une étape obligatoire de tout projet de pompage.
- Des usages positifs. La cavitation est exploitée dans le nettoyage par ultrasons, la lithotritie qui brise les calculs rénaux, certaines torpilles supercavitantes, et en génie des procédés.
| Date | Étape |
|---|---|
| 1738 | Bernoulli : la pression baisse quand la vitesse augmente |
| 1754 | Euler : risque de séparation de l'eau dans les machines hydrauliques |
| 1873 / 1894 | Reynolds : emballement des hélices, ébullition à froid dans un tube rétréci |
| 1893-1895 | HMS Daring : Thornycroft et Barnaby identifient la cavitation |
| 1895-1897 | Parsons : premier tunnel de cavitation, Turbinia à Spithead |
| 1917 | Rayleigh : implosion d'une cavité sphérique |
| Années 1920-1930 | Thoma, puis les fabricants de pompes : coefficient σ et NPSH |
| 1949 | Plesset : équation de Rayleigh-Plesset |
| Années 1960 | Observation du microjet par photographie ultra-rapide |
Bibliographie
- S. W. Barnaby, communication sur la formation de cavités par les hélices aux grandes vitesses, Congrès international des architectes navals et ingénieurs de marine, Londres, 1897 (résumé dans The Engineer, 16 juillet 1897).
- Lord Rayleigh, « On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity », Philosophical Magazine, série 6, 34, 1917, p. 94-98.
- M. S. Plesset, « The dynamics of cavitation bubbles », Journal of Applied Mechanics, 16, 1949, p. 277-282.
- C. E. Brennen, Cavitation and Bubble Dynamics, Oxford University Press, 1995.
- J.-P. Franc, J.-M. Michel, Fundamentals of Cavitation, Kluwer, 2004.
Questions fréquentes
Pourquoi ne peut-on pas aspirer l'eau à plus de 10 mètres ?
Parce que c'est la pression atmosphérique qui pousse l'eau dans la conduite d'aspiration : elle vaut 10,3 m de colonne d'eau au niveau de la mer, moins la pression de vapeur. Dès que la dépression à l'aspiration approche cette valeur, l'eau se vaporise et la pompe se désamorce. En pratique, avec les pertes de charge et le NPSH requis, une pompe de surface aspire rarement au-delà de 6 à 7 m d'eau froide ; au-delà, il faut une pompe immergée ou placée en contrebas.
Quels sont les signes et les dégâts de la cavitation ?
Un bruit de gravier ou de crépitement dans la pompe, des vibrations, une chute brutale du débit et de la hauteur manométrique, puis à terme une érosion en nid d'abeilles des aubes de la roue, des pales d'hélice ou du corps de pompe, et la destruction des garnitures et des roulements. Une pompe qui cavite s'use en quelques semaines au lieu de quelques années.
Comment éviter la cavitation d'une pompe ?
Augmenter le NPSH disponible ou choisir une pompe au NPSH requis plus faible : placer la pompe plus bas, en charge sous le réservoir ; raccourcir et élargir la conduite d'aspiration, supprimer les coudes et filtres inutiles ; limiter la température du liquide ; pressuriser le réservoir d'aspiration ; réduire la vitesse de rotation ou le débit. Garder une marge d'au moins 0,5 m entre NPSH disponible et NPSH requis. Mecaflux Standard signale la cavitation de la pompe ou de la conduite dès la saisie des paramètres.
Comment vérifier que ma pompe ne cavitera pas ?
Dans l'onglet pompes et turbines de Mecaflux Standard, vous entrez le fluide et sa température, la hauteur et les pertes de charge d'aspiration et le NPSH requis de la pompe : la fenêtre cavitation passe au rouge si la pompe ou la conduite cavite, et le calculateur NPSH en ligne donne un premier avis. Pour une installation qui cavite ou un projet à sécuriser, Mecaflux réalise l'étude de votre projet (aspiration, corrections à apporter) et vous remet la note de calcul, ou vous propose une formation sur le logiciel appliquée à votre propre installation.