Cavitation et Coup de Bélier : Phénomènes Hydrodynamiques

Qu'est-ce que la Cavitation ?

La cavitation, ou aspiration sous vide, est un effet hydrodynamique qui se produit lorsque l'eau ou d'autres fluides liquides passent à haute vitesse sur un bord tranchant. Cela entraîne une décompression du fluide due à la conservation de la constante de Bernoulli (selon le principe de Bernoulli).

Il peut arriver que la pression de vapeur du liquide soit atteinte, de sorte que les molécules qui le composent changent immédiatement d'état pour former de la vapeur, créant des bulles ou, plus exactement, des cavités. Ces bulles voyagent dans les zones de plus fortes pressions et implosent (la vapeur retourne brusquement à l'état liquide, provoquant un « aplatissement » soudain des bulles). Ce phénomène produit une traînée de gaz et une érosion de la surface métallique.

Types de Cavitation

Cavitation de Refoulement

La cavitation de refoulement se produit lorsque les pressions de refoulement de la pompe sont élevées. Cela survient généralement lorsqu'une pompe fonctionne à moins de 10 % de son point de rendement optimal.

Cavitation d'Aspiration

La cavitation d'aspiration se produit lorsque l'aspiration de la pompe est soumise à des conditions de basse pression ou de vide élevé, ce qui provoque la transformation du liquide en vapeur à l'entrée de la turbine.

Le Coup de Bélier (Water Hammer)

Le coup de bélier se produit parce que le liquide est légèrement élastique (bien que, dans certaines situations, il puisse être considéré comme incompressible). Par conséquent, lorsqu'un robinet ou une vanne est brusquement fermé(e) à l'extrémité d'une conduite d'une certaine longueur, les particules de fluide qui se sont arrêtées sont entraînées par celles qui arrivent immédiatement derrière et qui sont toujours en mouvement.

Cela crée une onde de pression qui se propage à travers le tuyau à une vitesse pouvant dépasser celle du son dans le fluide. Cette pression a deux effets principaux :

• Elle comprime légèrement le liquide, ce qui réduit son volume.
• Elle dilate légèrement le tuyau.

Lorsque tout le liquide en mouvement dans le tuyau est arrêté, il cesse d'être comprimé et, par conséquent, il tend à se dilater. De plus, le tuyau, légèrement dilaté, tend à reprendre sa taille normale. Ensemble, ces effets provoquent une autre onde de pression dans la direction opposée.

Le fluide se déplace alors dans la direction opposée, mais comme le robinet est fermé, il se crée une dépression par rapport à la pression normale de la conduite. À cette pression réduite, le liquide peut passer à l'état gazeux, formant une bulle. Le tuyau, soumis à cette dépression, a tendance à se contracter.

En arrivant à l'autre bout du tuyau, si les ondes ne se dissipent pas (par exemple, dans un réservoir à pression atmosphérique), elles seront progressivement atténuées par la résistance à la compression du fluide et l'expansion de la conduite.