La cavitation fait partie des phénomènes les plus critiques et coûteux dans les turbomachines traversées par des liquides. Elle limite la plage de fonctionnement, diminue le rendement, provoque du bruit et des vibrations – et peut, dans le pire des cas, entraîner des dommages matériels irréversibles en peu de temps. La simulation de la cavitation basée sur la CFD est aujourd'hui l'outil le plus fiable pour contrer efficacement ce phénomène dès la phase de conception.

Qu'est-ce que la cavitation – et pourquoi est-elle si dangereuse ?

Cavitation décrit l'évaporation locale d'un liquide résultant d'une chute de pression en dessous du point d'ébullition dépendant de la pression de vapeur – sans augmentation de température. Dans les turbomachines, cette chute de pression se produit généralement aux endroits de vitesse d'écoulement élevée : du côté aspiration des roues de pompe, du bord de pression des aubes d'hélice ou dans des zones de faible espace.

Les bulles de vapeur résultantes s'effondrent brutalement dès qu'elles atteignent des zones de pression plus élevée. Cet effondrement produit :

• Rayons microimpulsionnels avec des pics de pression locaux de plusieurs milliers de bars – principale cause d'usure des matériaux (érosion par cavitation)
• Pulsations de pression et vibrations, les paliers, les joints et les structures adjacentes à la contrainte
• Développement des compétences par des émissions acoustiques à large bande dans les bruits caractéristiques de crépitement et de claquement
• Baisse de performanceDe vastes zones de cavitation bloquent les sections de flux et entraînent un effondrement de la hauteur de refoulement ou de la poussée.

La cavitation comme phénomène limitant pour les turbomachines

le La cavitation est un phénomène limitant pour les turbomachines, qui sont utilisés dans les liquides. Pour prédire le début de la cavitation et ses effets sur les performances de la machine, Simulation par CFD comme méthode la plus fiable utilisé. Cela concerne presque tous les types de machines dans lesquelles des fluides sont accélérés ou déviés :

• Pompes hélicoïdales – particulièrement en cas de basse pression d'admission (dépassement de la NPSH)
• Hélices de navires et sous-marines – en pleine charge ou à charge partielle
• Turbines-pompes et turbines hydrauliques (Francis, Kaplan, Pelton) – en zones de charge partielle et de surcharge
• Moteurs et pompes hydrauliques dans les systèmes haute pression
• Inducteurs dans les moteurs de fusée et les pompes haute performance

Simulation de cavitation avec CFD : bases physiques

Les modèles de cavitation CFD modernes sont basés sur un Approche en deux phasesLe flux est modélisé comme un mélange de phases liquide et vapeur, où la fraction volumique locale de vapeur est régie par une équation de transport. Les approches de modélisation établies sont :

• Modèle Schnerr-SauerBasé sur l'équation simplifiée de Rayleigh-Plesset pour la croissance de bulles ; bien validé pour la cavitation de pompe
• Modèle Zwart-Gerber-BelamriPrend en compte les interactions entre la population de bulles et le transfert de masse ; largement utilisé dans les applications industrielles
• Modèle de MerkleApproche de transfert de masse basée sur la pression, particulièrement stable pour les calculs transitoires

Le modèle de cavitation est complété par des éléments appropriés Modèles de turbulence (k-ω SST, k-ε Realizable) et – si nécessaire – par des modèles pour les effets thermiques qui deviennent pertinents pour les fluides cryogéniques ou l'eau chaude.

Que fait concrètement la simulation de cavitation par CFD ?

Une simulation de cavitation soigneusement conçue fournit bien plus qu'une simple indication de la présence de cavitation. Les résultats typiques incluent :

• Début de cavitationDétermination du point de fonctionnement critique (pression, débit, vitesse de rotation) à partir duquel la cavitation commence – comme base pour les courbes NPSH et les preuves de sécurité
• Propagation spatiale de la cavitation: Visualisation des fractions volumiques de vapeur sur les surfaces des aubes, dans le passage ou à l'entrée d'aspiration – pour l'identification des zones sujettes à l'érosion
• Perte de performance due à la cavitation: Quantification de la baisse de hauteur de refoulement ou de poussée en fonction de l'indice de cavitation σ
• Dynamique non stationnaire de la cavitationPériode de simulation de structures cavitantes en effondrement périodique (cavitation en nuage, cavitation en nappe) et de leurs pulsations de pression
• Cartes de potentiel d'érosionIdentification des zones d'ablation de matière par l'évaluation des impulsions de pression locales lors de l'effondrement des bulles

Notre flux de travail : Simulation de cavitation avec un logiciel open-source

nos simulations de cavitation sont entièrement réalisées avec Logiciel libre réalisé – principalement avec OpenFOAM et intégré dans l'automatisation Flux de travail InsightCAE:

• Géométrie et mise en réseauGénération automatique de maillage avec résolution fine de paroi et affinement du maillage dans les zones sujettes à la cavitation
• Examen pré-opératoire en hospitalisationÉvaluation rapide du champ de pression et identification des zones critiques sans modèle de cavitation
• Simulation de cavitation instationnaire: Activation du modèle biphasique et calcul du comportement de cavitation dépendant du temps
• Post-traitement automatiséÉvaluation des caractéristiques, visualisation des fractions volumiques de vapeur, analyse des pulsations de pression
• Variation de paramètreCalcul systématique de plusieurs points de fonctionnement pour établir des courbes NPSH complètes

Simulation de cavitation comme base pour une conception robuste à la cavitation

La véritable force de l'analyse de la cavitation basée sur la CFD ne réside pas uniquement dans le diagnostic – mais dans la Optimisation. Sur la base des résultats de simulation, des mesures constructives ciblées peuvent être déduites et évaluées :

• Optimisation de la distribution de pression par adaptation de la géométrie de la pale (forme du profil, bord d'attaque, cambrure)
• Variation de la pression d'appui et de la précharge de la roue du rotor
• Utilisation de matériaux résistants à la cavitation dans les zones d'érosion identifiées
• Optimisation géométrique des étages d'inducteur pour la réduction de la NPSH

En combinaison avec notre cadre d'optimisation automatisé, de nombreuses variantes géométriques peuvent être systématiquement étudiées pour leur comportement de cavitation, sans effort manuel supplémentaire pour chaque variante.

Conclusion : calculez la cavitation avant qu'elle ne cause des dommages

La cavitation dans les turbomachines n'est pas un destin incontrôlable – elle est calculable, localisable et gérable par des mesures de conception ciblées. La simulation CFD de cavitation basée sur OpenFOAM offre l'outil le plus précis et le plus rentable pour cela : sans frais de licence, entièrement automatisable et directement intégrable dans le processus de conception.

Vous souhaitez étudier numériquement le comportement de cavitation de votre pompe, de votre hélice ou de votre turbine ? Contactez-nous – nous analysons votre machine et identifions les potentiels d'optimisation avant que des dommages ne surviennent.