Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
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Soutenance de thèse ECL

Saira Pineda

Vendredi 1 septembre 2017 - 14h00 - Amphi 201 - ECL

Saira Pineda

Numerical prediction of cavitation erosion


Jury
- M. FARHAT Professeur Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Rapporteur
- E. GONCALVES DA SILVA Professeur Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique Rapporteur
- R. FORTES-PATELLA Professeur Université de Grenoble Examinatrice
- M. LANCE Professeur Professeur Université Lyon 1 Directeur
- S. AUBERT Professeur Ecole Centrale de Lyon France Co-directeur
- J.-C. MARONGIU Docteur ANDRITZ HYDRO France Encadrant


Abstact

La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène
se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface
de la machine. Ceci entraıne des conséquences négatives, telles que
l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine.
L’effondrement d’une bulle de gaz dans l’eau est simulé en utilisant la
méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les
écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations
de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du
système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et
l’équation d’état de gaz parfait pour la bulle de gaz. Les deux phases sont
modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas
considéré.
La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul
des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Cependant,
pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach est supérieur à 0.3,
la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la
fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de
configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des
écoulements monophase et multiphases.
L’effondrement de la bulle près du mur a été abordé comme le mécanisme
fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se
caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la
bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des
principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le
centre de la bulle et la paroi ($H_0$ ), la taille de la bulle ($R_0$ ) et le taux de
pression qui entraîne l’effondrement ($p_w /p_b$ ). Il est démontré que l’intensité de
l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide
et la bulle ($p_w /p_b$ ). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi,
l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau,
servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle
initialement située à une distance inférieure à $H_0/R_0=2$ présente un haut
potentiel d’endommagement.
Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à
l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau
réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de
traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène
d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus
importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette
zone peut être sujette à une déformation plastique.

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