Cavitation
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La cavitation décrit la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Si cette dépression est suffisamment élevée, la pression peut devenir inférieure à la pression de vapeur saturante, et une bulle de vapeur () est susceptible de naître. Le mot vient du latin cavus qui signifie " trou ".

Cavitation créée expérimentalement par une hélice dans un tunnel d'eau.
Cavitation (La cavitation décrit la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Si cette dépression est suffisamment...) créée expérimentalement par une hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) dans un tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Origine de la cavitation

La dépression peut avoir deux origines différentes :

  • elle peut être liée à un écoulement de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à forte vitesse (On distingue :), par exemple dans un venturi (Venturi est un constructeur automobile français spécialisé dans la commercialisation de voitures sportives de luxe. La marque, fût créée en 1984 par deux anciens salariés de chez Heuliez. Elle s'appelait alors "MVS" (Manufacture de...), ou bien au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en...) d'une pale (Une pale d'hélice (avion) ou de rotor (hélicoptère) est une surface portante en rotation autour d'un axe. C'est un dispositif...) dans une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) ou encore sur une hélice de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial, et permet diverses activités...) ou de sous-marin (Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans les trois dimensions, sous la surface de l'eau ; il se distingue ainsi des autres bateaux et navires qui se déplacent dans deux dimensions et uniquement à la surface, et...). En effet, une zone de forte vitesse dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides,...) correspond à une faible pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) (Cf. le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à partir d'axiomes. Un théorème...) de Bernoulli ). On parle de cavitation hydrodynamique, découverte en 1917 par Lord Rayleigh. Cela se traduit par exemple par un sillage de bulles, ainsi que par l'apparition d'une couche de vapeur accrochée à une pale (là où la dépression est la plus forte, c'est-à-dire vers le bord de fuite ; attention toutefois, la bulle souvent observée n'est généralement que de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) entraîné par un tourbillon, et non de la cavitation).
  • elle peut être liée aux variations de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) d'un liquide soumis à une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes...), en général des ultrasons de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). On parle alors de cavitation acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes...).

Effets

Quelle qu'en soit l'origine, la cavitation a deux effets différents :

  • les bulles de vapeur changent complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de...) le comportement du liquide. La cavitation hydrodynamique détruit le rendement de l'hélice ou de la pompe. L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) n'est plus transformée en mouvement (par exemple), mais soit elle reste dans l'engin moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail...) (qui peut ne pas supporter de sortir ainsi des conditions normales de travail), soit elle est diffusée sous une forme incontrôlée et donc probablement nuisible.
  • le plus souvent la bulle de vapeur est transitoire : son apparition élimine instantanément les conditions qui lui ont donné naissance. Il se produit donc une implosion (L'implosion est l'inverse de l'explosion. Elle se produit lorsque la pression externe à un objet est plus grande que celle à l'intérieur et que...) de la bulle. Cette dernière peut-être si violente que les pression et température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) à l'intérieur de la bulle peuvent prendre des valeurs très élevées (plusieurs milliers de bar, plusieurs milliers de Kelvin). En implosant, la bulle peut émettre une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute...) dans le liquide, qui permet de casser des gouttes (émulsification), de disperser, désagglomérer ou briser des particules solides, ou encore de nettoyer ou éroder des surfaces solides .

C'est pourquoi le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du phénomène de cavitation est essentiel en hydrodynamique : il représente une limite, à cause de la perte de rendement voire de la destruction (des hélices et pompes) qu'il peut provoquer. Les impacts sur celles-ci se font toujours aux points de vitesse les plus élevés, intérieur des hydrauliques vortex et extérieur des hydrauliques mono et multicanaux, comme sur la photo).

Mais inversement, la bonne compréhension du phénomène peut permettre de l'exploiter. Des applications pour le nettoyage ont été proposées. De plus, la densité d'énergie ainsi atteinte dans certaines bulles donne lieu à des réactions chimiques inhabituelles, domaine appelé sonochimie, et même dans certains cas à l'émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...), phénomène appelé sonoluminescence (La sonoluminescence est le phénomène par lequel des photons sont émis par des bulles de gaz dont on fait varier le diamètre grâce à des ultrasons.). Certains chercheurs pensent qu'il est possible d'exploiter ces phénomènes pour réaliser une fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut...).

Prévision

Pour prévoir ce phénomène, on introduit le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) de cavitation, adimensionnel, noté sigma σ. Il est défini par : {{Pa-Psat}\over {\Delta P}} Avec :

  • ΔP une grandeur caractéristique du système,
  • Psat la pression de vapeur saturante (La pression de vapeur saturante ou tension de vapeur est la pression à laquelle la phase gazeuse de cette substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide. Elle dépend de la température. Certains...) du liquide,
  • Pa la pression en un point (Graphie) de référence.

Deux écoulements de géométries semblables avec le même σ verront la cavitation se produire en des points homologues, si ils ont le même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de Reynolds.

Similairement, le NPSH (Net Positive Suction Head) est le supplément minimal de pression qu’il faut ajouter à la pression de vapeur (La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.) saturante 'pv',au niveau de l’entrée de la pompe, pour que la pression à l’intérieur de celle-ci ne puisse être inférieure à 'pv'. Le NPSH est défini par la relation suivante : {{P_i\over \gamma}+{V_i^2\over {2g}}-{{Pv}\over \gamma}}

Supercavitation

La supercavitation est l'utilisation des effets de cavitation pour créer une grande bulle de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) à l'intérieur d'un liquide, permettant à un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) de voyager à grande vitesse dans ce liquide en étant complètement enveloppé par la bulle. La cavité (c'est-à-dire la bulle) réduit le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) sur l'objet et fait de la supercavitation une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) très attrayante et pour cause: le frottement dans l'eau est environ 1 000 fois plus grand que dans l'air. La supercavitation est assez étudié en magnétohydrodynamique (La magnétohydrodynamique (MHD) est une discipline scientifique qui décrit le comportement d'un fluide conducteur du courant électrique (liquide ou gaz ionisé appelé plasma) en présence de champs...) (MHD).

Utilisation de la cavitation dans la nature

La cavitation est exploitée de façon assez singulière dans la nature par une crevette (Le nom vernaculaire crevette (aussi connu comme chevrette dans certaines régions de la francophonie) est traditionnellement donné à un ensemble de...) tropicale qui possède l'une de ses pinces surdéveloppée par rapport à l'autre.[1] Lorsqu'elle referme cette énorme pince (Une pince est un dispositif mécanique ou un outil, ayant pour fonction de pincer quelque chose d'autre, c'est-à-dire serrer pour saisir ou maintenir.) il en résulte un écoulement très violent engendrant une bulle de cavitation hydrodynamique, qui, en implosant, émet une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) susceptible d'assommer, voire tuer le plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec ancien πλαγκτός / planktós...) environnant.[2], on a longtemps cru que le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) provenait de la pince elle-même, avant qu'une équipe hollandaise démontre l'apparition d'une bulle de cavitation à l'aide d'une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) rapide. La même équipe a d'ailleurs démontré que cette bulle était luminescente.[3]

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