La cavitation expliquée : comprendre, prévenir et utiliser les bulles de vapeur

La cavitation, c'est-à-dire la formation et l'effondrement rapides de bulles de vapeur dans les liquides, constitue un défi majeur pour les machines. Ce phénomène peut provoquer des dommages mécaniques, réduire l'efficacité et générer un bruit perturbateur. Il est essentiel de comprendre les mécanismes à l'origine de la cavitation pour prévenir les pannes d'équipement et optimiser les performances.

Cet article aborde la science de la cavitation, ses différentes formes, ses effets destructeurs et ses applications bénéfiques. Nous verrons également comment résoudre les problèmes de cavitation en comprenant la hauteur d'aspiration positive nette (NPSH).

Qu'est-ce que la cavitation

La cavitation est un phénomène caractérisé par la formation et l'effondrement rapide de cavités remplies de vapeur dans un liquide. Ces cavités, souvent appelées bulles, apparaissent lorsque la pression locale du fluide chute en dessous de sa pression de vapeur. L'effondrement ultérieur de ces bulles peut générer une énergie importante, entraînant une série d'effets, à la fois destructeurs et bénéfiques.

Pour définir plus précisément la cavitation, il est important de comprendre qu'il ne s'agit pas simplement d'ébullition, bien que la formation de bulles de vapeur soit impliquée dans les deux processus. Dans la cavitation, la chute de pression est la cause principale, tandis que l'ébullition se produit lorsqu'un liquide atteint son point d'ébullition.

La science derrière la cavitation

A. Pression et pression de vapeur

L'apparition de la cavitation est principalement régie par la relation entre la pression locale à l'intérieur d'un liquide et la pression de vapeur de ce liquide. La pression de vapeur est la pression à laquelle un liquide se transforme en vapeur à une température donnée. Si la pression locale à l'intérieur d'un liquide chute en dessous de sa pression de vapeur, le liquide commence à se vaporiser, formant des bulles de vapeur. Cela se produit généralement dans les zones où le fluide accélère.

B. Les étapes de la formation des bulles

La cavitation se produit dans les zones de basse pression d'un liquide. Ces zones de basse pression sont souvent créées par des changements de vitesse d'écoulement. Lorsqu'un fluide accélère, sa pression diminue, selon le principe de Bernoulli.

La formation de bulles de vapeur nécessite également des sites de nucléation. Ces sites peuvent être des impuretés microscopiques, des gaz dissous ou de petites crevasses sur des surfaces solides au sein du système fluide. Ces imperfections fournissent l'emplacement initial du développement des bulles de vapeur car la tension superficielle du liquide est réduite. Une fois qu'une bulle commence à se former, elle grandit rapidement tandis que le liquide environnant continue de se vaporiser dans la zone de basse pression.

C. Violente implosion de bulles

Une fois que ces bulles de vapeur se déplacent de la zone de basse pression vers une zone de haute pression, le liquide environnant se précipite pour combler le vide. Cela provoque l'effondrement rapide de la bulle et les molécules du liquide environnant entrent en collision, ce qui entraîne une augmentation rapide de la température et de la pression. Cette implosion est la cause fondamentale du potentiel destructeur de la cavitation.

Lors de l'effondrement, des ondes de choc à très haute pression sont générées. Ces ondes de choc se propagent vers l'extérieur et impactent les surfaces des matériaux à proximité. De plus, de minuscules jets de liquide à grande vitesse, appelés microjets, peuvent se former et frapper les surfaces. Ces microjets, associés aux ondes de choc, peuvent causer des dommages considérables aux matériaux environnants. De plus, l'implosion s'accompagne d'une libération considérable d'énergie, principalement sous forme de chaleur et de force mécanique.

Types de cavitation

La cavitation peut se manifester sous diverses formes, chacune ayant ses caractéristiques et ses causes distinctes :

A. Cavitation inertielle (transitoire)

Ce type de cavitation implique la croissance rapide et l'effondrement violent de bulles de vapeur, comme expliqué précédemment. Il est généralement associé à des événements à haute énergie et est connu pour sa nature destructrice. La cavitation inertielle peut provoquer des dommages mécaniques et du bruit importants.

B. Cavitation non inertielle

Contrairement à la cavitation inertielle, la cavitation non inertielle implique la croissance et l'oscillation de bulles de gaz préexistantes. Elle est moins destructrice que la cavitation inertielle, même si elle peut néanmoins avoir certains effets dans certaines applications. La cavitation non inertielle est souvent associée à des applications impliquant des champs ultrasonores et un streaming acoustique.

C. Cavitation hydrodynamique

La cavitation hydrodynamique se produit en raison des changements de vitesse et de pression du fluide dans un liquide en écoulement. On l'observe fréquemment dans les pompes, les hélices et les vannes de régulation, où se produisent des accélérations et des décélérations rapides du fluide. Cette forme de cavitation est extrêmement destructrice car les bulles de vapeur se forment et s'effondrent avec une énergie élevée.

D. Vaporisation Cavitation

La cavitation de vaporisation se produit lorsque la température du fluide monte jusqu'à son point d'ébullition dans une région de basse pression. Ce phénomène est similaire à l'ébullition, mais il est provoqué par une chute de pression locale plutôt que par une augmentation de la température. Il conduit à la formation de bulles de vapeur qui peuvent s'effondrer violemment lorsqu'elles sont exposées à une pression accrue.

E. Turbulence Cavitation

La cavitation turbulente est provoquée par des fluctuations rapides de pression au sein d'un écoulement turbulent. La nature irrégulière et chaotique de l'écoulement turbulent crée des zones de basse pression localisées qui provoquent la cavitation du fluide. Ce phénomène est courant dans les systèmes d'écoulement où il y a des turbulences.

F. Cavitation passant par les aubes

La cavitation au passage des aubes est spécifique aux machines tournantes, telles que les pompes et les turbines. Elle résulte de l'interaction du fluide avec les aubes ou pales en rotation, créant des zones de basse pression. Ces chutes de pression localisées peuvent provoquer la formation de bulles à proximité des aubes, ce qui peut entraîner de graves dommages.

Les effets destructeurs de la cavitation

La cavitation n’est pas toujours un phénomène souhaité en raison de son potentiel destructeur, qui peut avoir de graves répercussions sur les performances et la longévité des équipements :

A. Dommages mécaniques

La cavitation peut provoquer différents types de dommages mécaniques aux matériaux :

Piqûres : L'effondrement répété des bulles de vapeur provoque de petits cratères ou des creux sur les surfaces des matériaux. Il s'agit d'une forme d'érosion localisée qui peut affaiblir la structure du composant au fil du temps.
Érosion: Lorsque les bulles éclatent, elles créent des microjets à grande vitesse qui impactent les surfaces, érodant progressivement le matériau. Cela est particulièrement dommageable pour les métaux plus tendres.
Fatigue du matériau : Les ondes de choc et les microjets répétés induisent des contraintes cycliques dans le matériau, qui peuvent conduire à des fissures de fatigue. La fatigue fragilise l'intégrité structurelle du composant au fil du temps.
Microfractures : La pression intense exercée par l'effondrement des bulles peut provoquer des micro-fractures, notamment dans les matériaux fragiles. Ces micro-fractures peuvent s'agrandir et finir par entraîner la défaillance des composants.

B. Bruit et vibrations

L'implosion des bulles de vapeur génère un bruit et des vibrations importants qui peuvent être entendus et ressentis dans le système. Ce bruit et ces vibrations peuvent provoquer un inconfort et une exposition prolongée peut contribuer à l'usure de l'équipement. Cela peut également être un indicateur de cavitation dans le système.

C. Efficacité et perte de performance

La cavitation perturbe l'écoulement régulier du fluide. La formation et l'effondrement de bulles de vapeur créent des turbulences et entravent l'écoulement du fluide. Cette perturbation réduit l'efficacité des pompes, des turbines et d'autres systèmes hydrauliques. Par exemple, les performances d'une pompe chutent en cas de cavitation, car la pompe a du mal à fournir le fluide.

D. Effets chimiques

La cavitation peut induire des effets chimiques, en particulier dans les liquides. Les températures et pressions extrêmes générées lors de l'effondrement des bulles peuvent déclencher des réactions chimiques. Par exemple, dans l'eau, la cavitation peut entraîner une sonoluminescence, l'émission de lumière et la formation de radicaux libres. Ces radicaux libres sont très réactifs et peuvent provoquer d'autres modifications de la chimie de l'eau.

E. Matériaux les plus sensibles

Certains matériaux sont plus vulnérables aux dommages dus à la cavitation :

Métaux mous : les matériaux comme l’aluminium, le cuivre et le laiton sont particulièrement sensibles à l’érosion et aux piqûres en raison de leur dureté plus faible.
Plastiques : de nombreux plastiques peuvent être endommagés par cavitation. Ils peuvent devenir cassants et se fissurer sous l'effet de la pression.
Élastomères : Les élastomères peuvent également subir des dommages dus à l’érosion due à la cavitation.
Matériaux à faible dureté : les matériaux avec des valeurs de dureté inférieures sont généralement plus vulnérables aux impacts de la cavitation.
Matériaux présentant des défauts : La présence de défauts ou d’imperfections dans un matériau peut agir comme des concentrateurs de contraintes et rendre le matériau plus sensible aux dommages par cavitation.

Applications de la cavitation

Bien que les effets destructeurs de la cavitation soient bien connus, ce phénomène peut être utilisé pour diverses applications bénéfiques :

A. Cavitation dans les pompes

La cavitation est un phénomène fréquent dans les pompes, en particulier lorsqu'elles fonctionnent dans des conditions entraînant une faible pression d'entrée. La chute de pression dans la pompe peut entraîner une cavitation si la pression chute en dessous de la pression de vapeur du liquide.

B. Cavitation dans les turbines et les hélices

Tout comme les pompes, les turbines et les hélices sont également sujettes à la cavitation. Les pales en rotation et les champs de pression variables dans ces systèmes peuvent entraîner des zones de basse pression. Cette cavitation réduit l'efficacité et génère beaucoup de bruit, en plus d'endommager les pales.

C. Utilisations bénéfiques de la cavitation

Nettoyage par ultrasons : La cavitation est un mécanisme essentiel du nettoyage par ultrasons, qui utilise des ondes sonores à haute fréquence pour créer des bulles microscopiques dans une solution de nettoyage. Les bulles s'effondrent rapidement et libèrent de l'énergie qui peut déloger la saleté, la graisse et d'autres contaminants des surfaces.
Sonochimie : La cavitation est utilisée en sonochimie pour initier ou accélérer des réactions chimiques. Les conditions extrêmes générées lors de l'effondrement des bulles peuvent induire des changements chimiques, produire de nouveaux matériaux ou améliorer les processus chimiques existants. La sonochimie a des applications dans des domaines tels que la synthèse pharmaceutique, la science des matériaux et la remédiation environnementale.
Applications médicales : La cavitation est actuellement à l'étude pour des applications médicales, comme l'administration ciblée de médicaments et le traitement du cancer. Les ondes ultrasonores peuvent être utilisées pour générer des bulles de cavitation à proximité des cellules cancéreuses ou dans des endroits ciblés, perturbant ainsi les tissus ou libérant des médicaments. L'utilisation de la cavitation dans les procédures médicales fait encore l'objet de recherches, mais elle est prometteuse pour les traitements mini-invasifs.

Hauteur d'aspiration positive nette (NPSH)

La hauteur d'aspiration positive nette (NPSH) est définie comme la pression absolue à l'orifice d'aspiration d'une pompe moins la pression de vapeur du fluide pompé. Elle représente l'énergie de pression disponible pour pousser le fluide dans la pompe et éviter la cavitation. Il existe deux types de NPSH :

NPSHa (hauteur d'aspiration positive nette disponible) : Il s'agit de la hauteur manométrique totale ou de la pression du fluide entrant dans la pompe, moins la pression de vapeur du fluide à l'entrée de la pompe. Le NPSHa est une caractéristique du système, pas de la pompe. Il dépend de facteurs tels que la température du fluide, la pression atmosphérique et la géométrie du système.
NPSHr (hauteur d'aspiration positive nette requise) : Il s'agit du NPSH minimum requis par la pompe pour éviter la cavitation. Le NPSHr est une caractéristique de la pompe et est généralement fourni par le fabricant. Il dépend de la conception de la pompe et des conditions de fonctionnement.

Pour garantir un NPSHa adéquat dans un système et éviter les conditions de cavitation, le NPSHa doit toujours être supérieur au NPSHr. Il convient de prévoir une marge de sécurité pour tenir compte des variations des conditions de fonctionnement.

Dépannage des problèmes de cavitation

La résolution des problèmes de cavitation nécessite souvent une approche systématique :

Augmenter la pression du système : Assurez-vous que la pression d'entrée de la pompe est supérieure à la pression de vapeur du liquide en augmentant la hauteur statique ou en réduisant les pertes de la conduite d'aspiration.
Réduire la température du fluide : L’abaissement de la température du liquide peut diminuer sa pression de vapeur, le rendant ainsi moins sujet à la cavitation.
Optimiser le placement de la pompe : Le repositionnement de la pompe plus près de la source de fluide ou l'abaissement de la pompe pour réduire la hauteur d'aspiration peut aider à augmenter le NPSHa
Augmenter le diamètre du tuyau : L'utilisation de tuyaux plus gros et de longueur réduite peut diminuer les pertes de pression.
Lisser le flux : La réduction des fluctuations de pression et la minimisation des virages serrés ou des obstructions dans le trajet d'écoulement peuvent aider à lutter contre la cavitation.
Choisissez la pompe appropriée : Sélectionnez la pompe appropriée à l’application pour éviter les conditions de cavitation.
Inspecter l'équipement : Assurez-vous que l'équipement est correctement entretenu. Vérifiez que les pompes et les tuyaux ne sont pas obstrués ou endommagés.
Mettre en œuvre des systèmes de contrôle : Utiliser des systèmes de contrôle automatisés pour gérer les conditions de fonctionnement et minimiser les fluctuations de pression.
Utiliser des matériaux spéciaux : Si la cavitation est inévitable, utilisez des matériaux plus résistants aux effets de la cavitation.
Installer des dispositifs anti-cavitation : Envisagez d’installer des dispositifs ou des composants anti-cavitation dans le système.