Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département de génie mécanique, IGM (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Physical investigation of cavitation vortex collapse

Couty, Philippe ; Avellan, François (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2001 ; no 2463.

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    Summary
    Among the different negative cavitation effects that are associated with the cavitation presence (efficiency drop, noise and vibrations etc.), cavitation erosion is still one of the main limiting features in the modern trend towards designing hydraulic machines with smaller size. Cavitation erosion is particularly undesirable, because it can act in synergy with other erosion processes like corrosion and sand abrasion, which all lead to the progressive destruction of blades of runners. Although many studies attempt to predict the erosion intensity for a given set of hydrodynamic conditions, existing prediction models still need to be largely improved. Towards the development of new cavitation aggressiveness models, the context of this present work is to study the hydrodynamic mechanisms involved in cavitation erosion. The proposed approach is based on both the study of cavitation impacts and on the physical investigation of a cavitation vortex collapse. Thus, the whole study can be divided into two main parts. Firstly, a study of the cavitation aggressiveness of leading edge cavitation, which one of the most aggressive cavitation types, is achieved by performing pitting experiments in cavitation tunnel with two 2D blades of different scale. They are either placed in a rectangular test section, or in a diverging test section in order to simulate the presence of a pressure gradient. Material specimens which are exposed to a leading edge cavitation are analyzed with the help of a 3D profilometry. This study has validated the energetic model by considering the collapse efficiency which represents the global energy transfer from the vapour structures to the material. It has been shown that the flow velocity and the pressure gradient are the principal influencing macroscopic parameters for both stable and unstable leading edge cavitation. Moreover, two different kinds of cavitation attack can be suggested: the vapour structures that are created at the water-vapour interface lead to isolated impacts, the large shed transient cavities yield larger and grouped impacts. Secondly, the physical study of a cavitation vortex collapse has been carried out. This involved the cavitation vortex generator of IMHEF for the generation of an isolated vortex. The development of a visualization test section and a high-speed video shadowgraphy technique has been be required. This study has shown the complex hydrodynamic characteristics involved in the collapse of a cavitation vortex. The cavitation vortex collapse leads to an irregular and unpredictable vapour cavity shape at the final stage of the collapse. The collapse and the associated emission of shock waves are very local phenomena which can arise from different locations of the same main cavitation vortex. Estimations of the boundary velocity result in maximum values greater than 350 m s-1 at the rebound. As the collapse is not regular, local velocity at the boundary might be much higher. Furthermore, the reliability of determining the centre of collapses by using the luminescence phenomenon of the cavitation vortex is evaluated. Luminescence has been detected with the help of a photomultiplier tube and an intensified light camera. The luminescence of an isolated cavitation vortex collapse has been experimentally shown for the first time. Moreover, a simultaneous captures of luminescence and shock waves have been achieved. The luminescence of the cavitation vortex has been characterized in the terms of time occurrence, location, success rate and intensity for variable hydrodynamic conditions. The luminescence of the cavitation vortex appears as short light bursts with duration down to 10 ns and up to 100 ns. The vortex intensity is a driving parameter of the luminescence emission. Simultaneous visualizations demonstrate that luminescence sources mingle with the shock waves epicentres. Moreover, luminescence and shock wave ignition occur within a time interval which is less than 500 ns. As a remarkable result, the higher the vortex intensity is, the closer to the wall the cavitation vortex collapse takes place. Furthermore, this main result can be extrapolated to the case of transient cavitation vortices generated by a leading edge cavitation. It also explains the increase of the cavitation aggressiveness when the flow velocity increases the cavitation vortices collapse closer to the wall when the flow velocity increases.
    Résumé
    Parmi les effets néfastes de la cavitation (chute de performance, bruit, vibrations, etc.), l'érosion de cavitation reste l'un des facteurs les plus limitatifs dans une perspective de conception de machines de taille réduite. La cavitation est particulièrement indésirable, car elle agit en synergie avec d'autres procédés d'endommagement tels que la corrosion et l'abrasion par le sable. L'ensemble de ces phénomènes conduit à une destruction progressive des aubages d'une machine hydraulique. Bien que de nombreuses études qui visent à prédire le taux d'érosion de cavitation aient été réalisées, les modèles existants ont encore besoin d'être améliorés. Dans une perspective d'élaboration de nouveaux modèles de l'agressivité de la cavitation, ce travail a pour but d'étudier les mécanismes hydrodynamiques qui sont à l'origine de l'érosion de cavitation. La démarche proposée s'appuie à la fois sur l'étude des impacts de cavitation, et sur l'exploration des phénomènes hydrodynamiques liés à l'implosion d'un vortex cavitant. Ainsi, l'étude dans son ensemble comprend deux parties. Premièrement, l'étude de l'agressivité de la cavitation de bord d'attaque, qui est l'une des situations les plus érosives, est réalisée à l'aide d'une technique de marquage. Celle-ci est appliquée à deux aubages 2D d'échelle différente en tunnel de cavitation, les aubages pouvant être placés soit dans une veine d'essai rectangulaire, soit dans une veine d'essai divergente qui simule la présence d'un gradient de pression. Les matériaux exposés à une cavitation de bord d'attaque sont analysés à l'aide d'un profilomètre 3D. Cette étude a permis de valider le modèle énergétique en considérant le rendement d'implosion qui représente le transfert global d'énergie des cavités de vapeur vers le matériau. Les résultats démontrent que la vitesse de l'écoulement et la présence d'un gradient de pression sont les paramètres prépondérants, indifféremment du mode de la cavitation de bord d'attaque, stable ou instable. De plus, deux types d'agressivité de la cavitation de bord d'attaque ont été identifiés : les structures de vapeur qui sont crées par les instabilités de cisaillement à proximité de l'interface eau-vapeur et qui génèrent des impacts isolés, et les lâchers de grosses structures de vapeur de tailles plus importantes qui sont à l'origine d'impacts groupés. Deuxièmement, l'exploration des phénomènes physiques liés au collapse d'un vortex cavitant est entreprise. La conception d'une cellule de visualisation ainsi que le développement d'un système de visualisation par ombroscopie ont été nécessaires. Les résultats de cette étude mettent en évidence la phénoménologie très riche et très complexe du collapse d'un vortex cavitant. La phase finale de l'implosion conduit à une forme de cavité imprédictible et irrégulière. Le collapse ainsi que l'émission d'ondes de choc sont des phénomènes très locaux qui surgissent depuis différentes origines pour une même cavité principale. Les vitesses de l'interface ont été estimées. Elles sont supérieures à 350 m s-1 au rebond. Étant donné que le collapse n'est pas régulier, les vitesses locales à l'interface sont probablement bien plus importantes. Par ailleurs, le phénomène de luminescence du vortex cavitant a été exploité pour localiser les collapses. La luminescence est détectée à l'aide d'un tube photomultiplicateur de photons et d'une caméra à intensification de lumière. La luminescence d'un vortex cavitant isolé a été mise en évidence pour la première fois. De plus, des visualisations simultanées de la luminescence et des ondes de choc ont été accomplies. La luminescence a été caractérisée en termes d'intensité, de taux de succès de la détection et de localisation pour différentes conditions hydrodynamiques. La luminescence du vortex cavitant se traduit par des impulsions lumineuses de durées variables de 10 ns à 100 ns. L'intensité du vortex est l'un des paramètres déterminants de l'émission. Les visualisations simultanées démontrent que les sources luminescentes se confondent avec l'épicentre des ondes de choc. De plus, l'émission de la lumière et la génération des ondes peuvent être considérées comme synchrones avec une incertitude inférieure à 500 ns. Il résulte également que le stade final de l'implosion est d'autant plus proche de la paroi que l'intensité du tourbillon est accrue. Ce résultat peut être extrapolé pour le cas des tourbillons cavitants transitoires qui sont générés par une cavitation de bord d'attaque. Il explique comment l'agressivité de la cavitation est accrue lorsque la vitesse de l'écoulement augmente : le collapse des tourbillons cavitants a lieu plus proche de la paroi lorsque la vitesse de l'écoulement augmente.