Généralités sur la cavitation

La cavitation décrit la naissance et le phénomène d’oscillation d’une bulle de gaz et : ou 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, et une bulle de vapeur est susceptible de naître. Le mot vient du latin « cavus » qui signifie « trou ». Historiquement, le problème remonte à l’érosion des hélices de bateau, dont Rayleigh (qui a donné son nom a une équation différentielle régissant le mouvement) a montre qu’elle était due à la formation et croissance explosive de bulles de vapeurs en présence d’une dépression (résultant d’un effet Bernoulli), suivie d’une implosion violente. Une telle implosion peut engendrer une onde choc sphérique dans le liquide, ainsi que des jets de liquides en présence d’une paroi solide. Parallèlement à cette cavitation hydrodynamique, la dépression responsable de la croissance explosive de la bulle peut être provoquée par un champ acoustique de forte puissance on parle de cavitation acoustique.

Le phénomène physique

Définition

La cavitation est un phénomène de discontinuité apparaissant au sein d’un fluide en raison d’une baisse complète de la pression, sans changement important de la température.
La compréhension de ce phénomène passe par l’étude du diagramme P-T. C’est le cas lors du remplissage d’une seringue par exemple qui doit se faire toujours lentement. En effet, la perte de charge dans l’aiguille fixe un niveau de pression inférieur à la pression atmosphérique à l’entrée du réservoir. Si l’on ajoute à cela les fluctuations turbulentes de la pression, il s’en suit une baisse de la pression locale. La cavitation prend des forces très différentes selon la configuration d’écoulement ou elle se produit, les propriétés physiques du liquide lui même, les contraintes qui lui sont appliquées.

La cavitation hydrodynamique

Origine de la cavitation

La dépression peut avoir deux origines différentes : elle peut être liée à un écoulement de liquide à forte vitesse, par exemple dans un venturi, ou bien au voisinage d’une pale dans une pompe ou encore sur une hélice de bateau ou de sousmarin.
En effet, une zone de forte vitesse dans un fluide correspond à une faible pression (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 entraîné par un tourbillon, et non de la cavitation). elle peut être liée aux variations de densité d’un liquide soumis à une onde acoustique, en général des ultrasons de puissance. On parle alors de cavitation acoustique nous y reviendrons plutard.

Effets de la cavitation

Quelqu’en soit l’origine, la cavitation a deux effets différents : les bulles de vapeur changent complètement le comportement du liquide. La cavitation hydrodynamique détruit le rendement de l’hélice ou de la pompe. L’énergie n’est plus transformée en mouvement (par exemple), mais soit elle reste dans l’engin moteur (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 de la bulle. Cette dernière peut-être si violente que les pression et température 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 émettreune onde de choc 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 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.
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, phénomène appelé sonoluminescence. Certains chercheurs pensent qu’il est possible d’exploiter ces phénomènes pour réaliser une fusion nucléaire
La cavitation est exploitée de façon assez singulière dans la nature par une crevette tropicale qui possède l’une de ses pinces sur développée par rapport à l’autre. Lorsqu’elle referme cette énorme pince il en résulte un écoulement très violent engendrant une bulle de cavitation hydrodynamique, qui, en implosant, émet une onde de choc susceptible d’assommer, voire tuer le plancton environnant. On a longtemps cru que le bruit 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 rapide. La même équipe a d’ailleurs démontré que cette bulle était luminescente.

La Super-cavitation

Le phénomène de cavitation est exploité afin de permettre à des projectiles d’atteindre de grandes vitesses sous l’eau : on parle alors de torpiller à super-cavitation, qui pourrait atteindre des vitesses de 300 à 1500 km/h au lieu de 100 km/h habituels.
La torpille « Barracuda » développée en Allemagne atteindrait une vitesse de 800 km/h. Au début des années 90, les Russes testent une nouvelle torpille nommée « Shkval ». Elle réussit à parcourir 7 kilomètres à la vitesse de 370 km/h. La construction de tels engins reste un secret jalousement défendu par les armées mais dans le cas de Shkval, on sait que le nez du projectile est relativement plat et que le corps de l’arme possède plusieurs ailettes destinées à la stabiliser. De plus, la torpille envoie une partie des gaz qui s’échappent de ses tuyères en direction de son nez. Cela permet de maintenir une bulle stable avec la forme adéquate.
La super-cavitation apparaît à la limite des 180 km/h, la pression chute subitement et l’eau se transforme en vapeur.
Dès ce moment, la torpille évolue dans une bulle allongée qui minimise les frottements et permet d’augmenter la vitesse de croisière. Si le projectile gagne en vitesse, il perd en maniabilité et ne peut que difficilement s’écarter de la ligne droite.

La cavitation acoustique

Les aspects physiques

Coalescence

La coalescence intervient du fait du mouvement relatif de deux bulles sous l’influence des force de Bjerknes primaire et secondaire. La primaire provoque un mouvement relatif à elle seule, mais la secondaire fournit de plus une interaction attractive dans certains cas. L’évolution d’une population de bulles liée à la coalescence a été traitée théoriquement (18,16,17,19). On considère généralement qu’il y a coalescence dès qu’il y a contact, sans tenir compte d’un éventuel choc élastique ou d’un temps de drainage du liquide à l’interface. Le problème est traité en calculant un noyau de probabilité de collision à partir d’une section de collision.

Diffusion rectifiée

Naturellement, dans un liquide juste à saturation, c’est-à-dire à l’équilibre avec une atmosphère à 1 bar, une bulle de gaz a tendance à se dissoudre, car la pression dans la bulle est supérieure à la pression dans le liquide, à cause de la tension superficielle. La concentration en gaz dissous au voisinage de la bulle est donc supérieure à celle infiniment loin de celle-ci ce qui cause un flux de gaz centrifuge, qui « dégonfle » la bulle.
Lorsque la bulle oscille, la pression dans la bulle varie autour de la pression d’équilibre, et il en est de même du flux de gaz: pendant la phase d’expansion, la bulle se remplit de gaz, pendant la phase de compression, elle se vide.

Force de Bjerknes secondaire

L’origine est la même que pour la force de Bjerknes primaire. Mais on prend en compte, en plus du champ d’accélération produit par l’onde acoustique, le champ d’accélération produit par une bulle voisine. Le produit de celui-ci par les variations de volume étant ici encore à moyenne non nulle, il résulte une force nette non nulle en moyenne sur une période, dirigée selon l’axe liant les centres des deux bulles.
La théorie linéaire prédit alors, une attraction entre des bulles de rayons ambiants situés du même cotés du rayon de résonance, et une répulsion dans le cas contraire. Ici encore en raison des résonances non linéaires, cette conclusion est fausse pour des champs acoustiques importants : il a été montré notamment par la théorie que deux bulles de taille légèrement différentes, mais toutes deux bien plus petites que le rayon de résonance (disons de l’ordre de quelques microns) pouvaient se repousser dans un champ acoustique de 20 kHz, ce qui expliquerait partiellement les filaments de bulles visibles dans toute expérience de cavitation forte.

Pression bulle

En général dans les modèles, on suppose la pression uniforme dans la bulle (sauf pour les problèmes de SBSL où les équations de Navier Stokes sont résolues rigoureusement). Cette hypothèse, longtemps justifiée par des comparaisons d’ordre de grandeur, a été prouvée très bonne récemment (35). En revanche, il existe toujours des gradients de température au sein de la bulle. Ceux-ci ont été longtemps été représentés par un exposant poly tropique et une viscosité ajoutée, mais cette représentation est mauvaise au voisinage des résonances (et bien sur pour la cavitation inertielle). Un traitement rigoureux des effets thermiques peut être trouvé dans (36,37). Pour la cavitation inertielle, on peut également switcher d’un comportement isotherme à un traitement adiabatique par comparaison des temps caractéristiques de diffusion et d’oscillation .

Conséquences de la cavitation

La cavitation se manifeste essentiellement par son bruit, l’érosion qu’elle suscite et par une altération des performances du système hydraulique considéré.
Les cavités de vapeur sont souvent instables et les interfaces qui les limitent sont soumises d’un côté à une pression faible et sensiblement constante (la pression de vapeur saturante, en première approximation) tandis que de l’autre côté, le liquide voit en général sa pression réaugmenter lorsqu’il transite vers l’aval. Il en résulte que la disparition de ce type de structure de vapeur s’effectue en général d’une manière violente qui l’apparente aux chocs que subit un système lorsqu’un jeu mécanique se comble.
Ainsi, au voisinage d’une paroi solide, la bulle implose en se rapprochant de la paroi avec formation d’un microjet liquide dirigé vers la paroi. La pointe de pression enregistrée à l’impact est de l’ordre de 1000 à 10000 bars pour un liquide au repos pour atteindre 100000 à 1000000 de bars pour un liquide en mouvement. La vitesse du microjet peut dépasser 1000m/s au moment de l’impact sur la paroi !

Maîtrise et utilisation de la cavitation

La prédiction des effets de la cavitation présente des difficultés dues à la complexité du problème ou un grand nombre de facteurs dont on ne maîtrise pas les effets entrant en jeu:
-Influence de l’évolution de bulles voisines
-Existence d’ondes de choc
– Vitesse et turbulence de l’écoulement
– Influence de la nature des matériaux.
• Le bruit
Si le bruit de fond n’est pas trop important, le bruit global de cavitation apparaît souvent légèrement avant sa détection visuelle. Puis, quelque soit le type de cavitation, le bruit croît d’abord très rapidement de 30 à 50 dB au fur et à mesure que l’indice de cavitation diminue pour plafonner ensuite.

L’Interaction Laser Matière

Ablation laser

L’histoire de l’ablation laser débute en 1965 avec la réalisation de couches minces pour l’optique par Smith et Turner en utilisant comme source d’évaporation un laser à rubis.
Puis son évolution sera parallèle aux développement techniques des laser impulsionnels à savoir le perfectionnement de la réalisation d’impulsions brèves de forte puissance (méthode du Q switch, laser à excimere,…). l’intérêt scientifique s’est alors porte sur l’étude des phénomènes de transport des espèces éjectes dans le panache plasma.
Ce n’est qu’en 1987, après le succès des films minces supraconducteurs à haute température critique, que la PLD a acquis une grande notoriété au sein de la communauté scientifique. Depuis lors, le nombre de publications s’appuyant sur cette technique augmente d’une manière quasi-exponentielle d’année en année.

Expansion du plasma

Pour étudier la distribution des flux d’espèces dans le panache, nous devons nous intéresser à l’expansion du panache de vapeur sous vide.
L’expansion du panache peut être diviser en trois phases: la formation de la couche de Knudsen suivie de l’expansion adiabatique du plasma, d’abord suivant une seule dimension(la normale à la cible), puis en trois dimensions.