a)Définition
La cavitation est un phénomène fréquent et souvent fort méconnu similaire à la ventilation. Mise en évidence par Osborne REYNOLDS en 1894, ce phénomène se produit dans des milieux liquides soumis à de brutales variations de pression. Il est principalement connu dans le domaine des hélices et des aubes de turbines.
La cavitation se manifeste par l'apparition de petites bulles de vapeur (des cavités), qui se forment puis implosent en quelques millisecondes. Au fur et à mesure que la pression baisse, la température d’ébullition diminue aussi, alors à une certaine pression l’eau se met à bouillir sans qu’on ait besoin de la chauffer.
Le schéma suivant décrit une bulle qui implose à cause l’effet de cavitation. Les petits objets marron sur la cavité sont des dépôts de tartre flottant dans l’eau dans une chaudière.
Schéma représentant les étapes de la cavitation
Sur le schéma ci-contre, on remarque que lorsque la pression descend, la cavitation augmente. Puis une fois l’eau évaporée, elle diminue et la pression remonte.
La cavitation est à l'origine de nuisances graves telles que l'érosion des matériaux, le bruit et les chutes de performances dans les installations hydrauliques ou marines. En effet après que les bulles sont créée, elles implosent de façon très brutale lorsqu’elles sont dans une zone où la pression est plus élevée, créant une onde de choc suffisamment forte pour abîmer le corps dans le liquide.
Sur le schéma ci-dessus, on observe l’érosion par cavitation d’un dépôt de tartre fixé aux parois une chaudière, elle est due à l’implosion brutale des bulles créant des ondes.
Schéma représentant l’implosion d’une bulle et des ondes créés. On remarque ainsi que lors de l’implosion du centre de la cavité, de l’énergie est dégagée formant alors des ondes détruisant les matériaux locaux.
La cavitation a un donc un effet dégradant sur les matériaux, comme on peut ainsi le voir sur la photo ci-contre.
La cavitation est un phénomène si microscopique que la mesurer reste très difficile. Cependant il est possible de la calculer en calculant la pression de vapeur saturant.
La pression de vapeur saturante est la pression à laquelle un fluide passe de l'état gazeux à l'état liquide (ou de l'état liquide à gazeux) pour une température donnée.
Si la température du fluide augmente, la pression à laquelle le fluide passe de l’état liquide à gazeux (pression de vapeur saturante) augmente. C’est ainsi qu'un liquide comme l'eau peut se transformer en vapeur à pression ambiante par apport de chaleur, mais il est possible de faire cette transformation sans varier la 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. C’est le phénomène de la cavitation.
Le calcul approximatif de la pression de vapeur saturante peut se faire à l'aide d'une formule issue de l'équation de Clapeyron, en prenant comme hypothèses que la vapeur se comporte comme un gaz parfait et que l'enthalpie de vaporisation (correspondant à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il change d'état) ne varie pas avec la température dans la plage considérée :
avec :
T0 : température d'ébullition de la substance à une pression P0 donnée, en K
Psat : pression de vapeur saturante, dans la même unité que P0
M : masse molaire de la substance, en kg/mol
Lv : chaleur latente de vaporisation de la substance, en J/kg
R : constante des gaz parfaits, égale à 8,31447 J/K/mol
T : température de la vapeur, en K
3. Pression de vapeur saturante de l’eau
Pour calculer la pression à partir de laquelle le phénomène de cavitation apparaît sur le bateau, correspond donc à la pression de vapeur saturante de l’eau.
Soit :
M = 0,018 kg/mol Lv = 2,26×106 J/kg P0 = 1013 mbar T0 = 373 K T = 393 K R = 8,31447 J/K/mol
Après avoir appliqué la formule, le calcul montre que la pression de vapeur saturante de l’eau est 6.52 mbar. C’est donc à cette pression que la cavitation s’exerce sur l’hydroptère.
Sur l’hydroptère, la cavitation se produit au niveau des foils et du safran, et elle apparaît à la même vitesse (dans les environs de 50 nœuds) que l’apparition de la ventilation. Cependant les causes et les conséquences de ce phénomène ne sont pas les mêmes. A cette vitesse la dépression devient si forte que l’eau au niveau des foil et du safran s’évapore : c’est le phénomène de cavitation.
Sur ces photos, on a l’évolution du phénomène de cavitation à 40, 45 et 50 nœuds. A 50 nœuds l’eau boue et se transforme en vapeur sous l’effet de la force des pressions autour de l’empennage.
La cavitation entraîne de nombreuses conséquences telles que la chute de la portance (ce qui empêche au bateau de s’élever plus haut), la destruction des foils et du safran, des bruits ainsi que des vibrations.
Des idées ont été proposées pour éviter ce phénomène hydrodynamique :
Ces deux idées sont très proches de la super cavitation, un phénomène qui en utilisant les effets de la cavitation crée une grande bulle de gaz dans un liquide permettant ainsi à un objet quelconque de voyager dans ce liquide tout en étant enveloppé par la bulle.
Pour illustrer le phénomène de cavitation nous avons réalisé l’expérience suivante :
A partir du moment où on commence à vider l’air du récipient, il y une dépression qui se crée à l’intérieur du récipient ce qui fait alors diminuer la température d’ébullition. L’eau se met alors à bouillir : c’est la cavitation.
Au fur et à mesure qu’on réalise le vide dans le bocal, l’eau se met à bouillir.
Nos résultats: voir la vidéo de notre expérience sur la cavitation
