Etude de la supercavitation au sein d'un écoulement confiné et non confiné. – SUPERCAV

Ce projet exploite les avantages de la microfluidique afin de permettre une meilleure compréhension de la physique des écoulements en régime de supercavitation, avec et sans confinement.
La cavitation est le plus souvent connue pour ses effets néfastes causés par l’implosion des bulles de vapeur lors de la remontée de la pression statique (érosion de cavitation). Pourtant, le phénomène de supercavitation possède d’autres aspects fondamentaux dont les applications peuvent irriguer les domaines civils et de défense. La cavitation est un changement de phase induit par la formation de forts gradients de pression dans l'écoulement. Ce changement de phase engendre à sont tour des variations de température dans l'écoulement dues aux transferts thermiques entre les phases liquide et gaz. Jusqu'à présent, la grande majorité des travaux antérieurs a considéré la cavitation dans l'eau comme pratiquement isotherme. Cependant, les récentes recherches menées par notre équipe [Ayela et al. 2013 2015] ont montré l’existence de forts gradients de température, induits par les changements de phase, dans un écoulement cavitant avec de l'eau. Ces résultats ont été obtenus pour de la cavitation en régime de bulles dispersées dans l'écoulement (faible flux de masse). Il est probable que ces effets thermiques seront sans nul doute importants pour le cas de la supercavitation. Dans le même temps, le changement de phase du liquide sous forme de vapeur induit également un dégazage de la phase liquide. Ce point souvent négligé dans le cas de la cavitation en régime de bulles ne peut être ignoré pour le cas de la supercavitation où les quantités de gaz formées sont plus importantes.
Notre projet s’appuie sur la cavitation hydrodynamique ‘sur puce’ (CHP) pour aborder de façon originale l'étude de la thermique et des transferts de masse dans les écoulements supercavitants. Les faibles débits impliqués et la dimension réduite des bancs d’essais permettent alors des expériences impossibles à l’échelle macroscopique, en utilisant des fluides exotiques ou coûteux, en disposant le microréacteur dans un environnement particulier (microscope, etc), en intégrant des métrologies ‘in situ’ au cœur des micro réacteurs ou au cœur de l’écoulement. Nous proposons pour le cas d'écoulements confinés (canal avec une restriction de section) et non confinés (objet placé dans un canal) :
• d’étudier les effets thermodynamiques en CHP en régime supercavitant, par des mesures ‘in situ’ de la température, à l’aide de nanoparticules thermofluorescentes.
• d’étudier le dégazage en CHP en régime supercavitant, par des mesures des dimensions des poches et l’utilisation d'un débitmètre diphasique récemment mis au point au LEGI.
• d'aborder la simulation des écoulements étudiés expérimentalement via l'utilisation d'un modèle de transport de taux de vide.
La métrologie fondée sur la thermoluminescence de nanoparticules dispersées dans l’écoulement, a été validée par notre équipe avec de l’eau dans le cadre de l’ANR Lunaprobe (2010-12). La mesure expérimentale des effets thermiques et du dégazage apportera des éléments d’appréciation cruciaux pour l’amélioration de notre compréhension du changement de phase et du dégazage dans les écoulements supercavitant. En régime d'écoulement à bulles, la simulation de la cavitation par résolution d'une équation de transport de taux de vide et implémentation d'un modèle de transfert de masse a été validée par notre équipe lors de précédents travaux pour le cas isotherme (thèse DGA Boris Charrière) et non isotherme (PostDoc CNES Damien Colombet).
La confrontation des résultats expérimentaux aux simulations nous permettra d'améliorer la simulation des écoulements cavitants en régime de supercavitation, en identifiant les modèles de transfert de masse les plus adaptés à ce type d'écoulement. Ce projet implique trois laboratoires aux compétences complémentaires et dont les membres ont déjà collaboré ensemble.