La formation spontanée de bulles dans un liquide est un phénomène qui nous est familier, cela se rencontre au quotidien dans une bouteille d’eau gazeuse que l’on débouche ou bien avec l’eau qui boue dans une casserole.
Les différentes manifestations de bulles dans notre quotidien
Le premier exemple correspond à la libération de gaz dissous dans le liquide, la plupart du temps du dioxyde de carbone (CO2) tandis que le second exemple correspond à la formation de bulles de vapeur engendrée par un apport de chaleur. Pour les deux cas, l’évolution du phénomène est lente et facile à observer.
Or, dans certaines conditions particulières, un troisième phénomène similaire et pourtant fort méconnu apparaît. Celui-ci engendre des forces considérables dans un laps de temps ridicule. C’est la cavitation. Après une présentation plus détaillée de la cavitation et quelques illustrations de ce phénomène, nous expliquerons en quoi la cavitation est-elle une limite dans le domaine maritime tout en permettant diverses applications industrielles ?
Etymologiquement issu du mot latin « cavus », trou, ce phénomène est défini par Osborne REYNOLDS dès 1894. A la différence de l’ébullition où un liquide doit chauffer pour être vaporisé, une dépression est nécessaire pour voir apparaître la cavitation.
Une fois la dépression locale suffisamment importante, la vaporisation du liquide va former de multiples bulles qui vont d’abord se dilater jusqu’à ce que la tension superficielle de leur « membrane » devienne trop faible. Elles s’effondrent alors sur elles-mêmes et implosent en créant en leur centre un bruit intense de l’ordre de plusieurs centaines de décibels, des températures extrêmes pouvant atteindre environ 15000°C, des pressions de 1000atm et de très puissants jets abrasifs propulsés à près de 1000m.s-1, le tout dans un intervalle de temps de seulement quelques millisecondes. D’ailleurs, la spontanéité et la complexité de la cavitation rendent tout calcul qui pourrait permettre de prévoir les localisations et les moments d’apparitions des premières bulles sur les hélices, pratiquement impossible. En effet de très nombreux paramètres extrêmement variables tels que la pureté de l’eau, sa température, sa pression, les courants, la profondeur de l’hélice, sa géométrie, sa vitesse… entrent en jeu. Ainsi, pour parvenir à réduire les effets de la cavitation à l’aide de modèles prévisionnels, de nombreux ordinateurs extrêmement puissants sont nécessaires. Le résultat de ces calculs étant défini avec une incertitude qui reste plutôt conséquente.
On distingue deux moyens courants d’obtenir la dépression nécessaire à la formation de la cavitation. D’une part, on peut entrer en cavitation sous l’action d’un mouvement lié à l’écoulement d'un fluide sur une surface, comme cela se produit sur les hélices de navire. D’autre part, il est également possible d’observer ce phénomène lorsque des ultrasons puissants (au moins 20 KHz à 0,5 W.cm-2) entrent en contact avec un liquide.
Tout d’abord, sous l’action de l’écoulement d’un fluide, comme avec le mouvement d’une hélice mais aussi avec la plupart des machines tournantes dans un liquide : vannes, pompes… l a cavitation se forme lors d’une dépression locale et brutale, au point de vaporiser le liquide, sans pour autant que sa température augmente, comme on peut le comprendre à l’aide du diagramme des phases de l’eau. Ainsi, la possibilité pour une hélice de caviter se comprend aisément au regard de son fonctionnement, ayant pour rôle de fournir une poussée par différence de pression entre sa face arrière mise en surpression et sa face avant mise en dépression. Il existe cependant différentes formes de cavitation hydrodynamique :
La cavitation à bulles, qui sont issues de germes microscopiques (de microbulles toujours présentes dans les liquides, la teneur dépendant de la pureté et de la qualité du liquide). Ces germes, à la rencontre des zones de dépression crées par l’hélice vont grossir jusqu’à former des bulles cavitantes puis à cause de la rapidité du passage, les zones de dépression étant mobiles, la pression croît à l’endroit où la bulle est formée et celle-ci implose, ne pouvant supporter la pression, provoquant beaucoup de bruits et de dommages.
La cavitation par poches,ne provoque pas de bulles qui vont imploser, elle est donc moins bruyante et destructrice que la cavitation par bulles. Elle se présente sous la forme de nuages, ou de poches de cavitation qui recouvrent une partie de l’hélice (voire englobe l’hélice, on parlera alors de supercavitation), réduisant considérablement les performances.
La supercavitation, est justement un phénomène qui se rencontre dans le cas précédent lorsque la poche de cavitation s'étend au-delà du bord de fuite de la pale. On évite ainsi l'érosion rapide puisque la portion arrière de la poche, très active au point de vue érosion, se trouve reportée en dehors du profil, on perd en revanche toute portance au niveau de l’hélice. De nombreuses recherches sont menées pour exploiter ce phénomène, mais celles-ci sont encore confrontées à des problèmes majeurs.
La cavitation de tourbillons, apparaît quant à elle dans le sillage de l’hélice et est tout à fait similaire aux perturbations présentes à la suite du passage d’un avion. En effet, les écoulements sur la face avant de l’hélice (dépression) et sur la face arrière de l’hélice (surpression) se rejoignent derrière l’hélice à des pressions différentes. Dès lors, un tourbillon se forme dont l’axe est le siège d’une dépression, qui, si elle est suffisante, provoque la vaporisation du fluide et la formation de tourbillons cavitants.
