La cavitation expliquée et illustrée

Le phénomène de cavitation consiste en une rupture de continuité du liquide là où il y a une réduction locale importante de pression. La formation de bulles au sein des liquides (cavitation) commence même en présence de pressions positives qui sont égales ou proches de la pression de vapeur saturante du fluide à la température donnée.

Divers liquides ont différents degrés de résistance à la cavitation parce qu'ils dépendent, dans une mesure considérable, de la concentration de gaz et de particules étrangères dans le liquide.

Mécanisme d'usure

Le mécanisme de la cavitation peut être décrit comme suit : Tout liquide contiendra des bulles gazeuses ou de vapeur, qui servent de noyaux de cavitation. Lorsque la pression est réduite à un certain niveau, les bulles deviennent le réservoir de vapeur ou de gaz dissous.

Le résultat immédiat de cette condition est que les bulles augmentent rapidement de taille. Par la suite, lorsque les bulles entrent dans une zone de pression réduite, elles diminuent de taille suite à la condensation des vapeurs qu'elles contiennent.

Ce phénomène de condensation se produit assez rapidement, accompagné de chocs hydrauliques locaux, d'émissions sonores, de destruction des liaisons matérielles et d'autres phénomènes indésirables. On pense que la réduction de la stabilité volumétrique dans la plupart des liquides est associée à la présence de divers additifs, tels que des particules solides non mouillées et des bulles de gaz-vapeur, en particulier celles à l'échelle submicroscopique, qui servent de noyaux de cavitation.

Un aspect critique du processus d'usure par cavitation est la destruction de surface et le déplacement de matière causés par des mouvements relatifs élevés entre une surface et le fluide exposé. En conséquence de ces mouvements, la pression locale du fluide est réduite, ce qui permet à la température du fluide d'atteindre le point d'ébullition et de petites cavités de vapeur de se former.

Lorsque la pression revient à la normale (une pression supérieure à la pression de vapeur du fluide), des implosions se produisent, entraînant l'effondrement de la cavité ou des bulles de vapeur. Cet effondrement des bulles génère des ondes de choc qui produisent de fortes forces d'impact sur les surfaces métalliques adjacentes et provoquent un écrouissage, de la fatigue et des piqûres de cavitation.

Ainsi, la cavitation est le nom donné à un mécanisme dans lequel des bulles de vapeur (ou cavités) dans un fluide croissent et s'effondrent en raison de fluctuations de pression locales. Ces fluctuations peuvent produire une basse pression, sous la forme de la pression de vapeur du fluide. Ce processus de cavitation par vaporisation se déroule dans des conditions de température approximativement constantes.

Types de cavitation

Il existe deux principaux types de cavitation : la cavitation par vaporisation et la cavitation par gaz.

1. Cavitation par vaporisation : Un processus d'ébullition qui se produit si la bulle grossit de manière explosive et illimitée lorsque le liquide se transforme rapidement en vapeur. Cette situation se produit lorsque le niveau de pression descend en dessous de la pression de vapeur du liquide.

2. Cavitation gazeuse : Un processus de diffusion qui se produit chaque fois que la pression tombe en dessous de la pression de saturation du gaz non condensable dissous dans le liquide. Alors que la cavitation vaporisée est extrêmement rapide, se produisant en quelques microsecondes, la cavitation gazeuse est beaucoup plus lente; le temps qu'elle prend dépend du degré de convection (circulation de fluide) présent.

L'usure par cavitation ne se produit que dans des conditions de cavitation vaporeuse - où les ondes de choc et les micro-jets peuvent éroder les surfaces. La cavitation gazeuse ne provoque pas l'érosion de la matière de surface.

Il ne crée que du bruit, génère des températures élevées (même des craquements au niveau moléculaire) et dégrade la composition chimique du fluide par oxydation. L'usure par cavitation est aussi connue sous le nom d'érosion par cavitation, cavitation vaporeuse, piqûres par cavitation, fatigue par cavitation, érosion par impact de liquide et étirage de fil.

L'usure par cavitation est un type d'usure fluide-surface qui se produit lorsqu'une partie du fluide est d'abord exposée à des contraintes de traction qui provoquent l'ébullition du fluide, puis exposée à des contraintes de compression qui provoquent l'effondrement (implosion) des bulles de vapeur.

Cet effondrement produit un choc mécanique et provoque l'impact de micro-jets contre les surfaces, unifiant le fluide. Tout système capable de répéter ce schéma de contraintes de traction et de compression est sujet à l'usure par cavitation et à toutes les horreurs accompagnant une activité aussi destructrice.

L'usure par cavitation est similaire à l'usure par fatigue de surface ; les matériaux qui résistent à la fatigue de surface (substances dures mais pas fragiles) résistent également aux dommages par cavitation.