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Shamsborhan, Hiva (2009) Développement d’une méthode de mesure de la célérité du son en écoulement diphasique application aux écoulements cavitants. Doctorat Mécanique, LML, Arts et Métiers Paristech, Lille, ENSAM 2009ENAM0005 p.103.
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Résumé
La vitesse du son dans les écoulements cavitants varie considérablement en fonction du taux de vide local. Par exemple, elle est proche de 1500 mis dans l'eau pure, 400 m/s dans la vapeur d'eau et peut diminuer bien en dessous de ces valeurs dans le mélange liquide-vapeur. Les écoulements cavitants sont donc quasiment incompressibles dans les zones purement liquides, et fortement compressibles dans les zones diphasiques. Il est nécessaire de prendre en compte la compressibilité du fluide dans les simulations numériques afin de reproduire certains mécanismes complexes associés aux instabilités de cavitation. Cela nécessite une estimation correcte de la vitesse du son dans un milieu cavitant. Ce travail de thèse avait donc pour principal objectif la création d'une zone de cavitation homogène afin d'y mesurer la célérité du son en fonction du taux de vide. Un dispositif expérimental a donc été développé pour créer une telle zone. Deux méthodes pour mesurer la vitesse du son sont examinées : I- avec 3 capteurs de pression équidistants le long de la veine d'essais II- avec 2 hydrophones en vis-à-vis dans une section de la veine. Le taux de vide est mesuré à l'aide d'une sonde optique. L'étalonnage de la sonde optique et la validation des mesures des capteurs et des hydrophones, sont fait en écoulement eau-air. La méthode I étant plus adaptée pour la mesure de la vitesse du son, est appliquée pour un écoulement cavitant. Pour chaque écoulement (eau-air et cavitant), les résultats sont comparés avec les modèles théoriques existants et une discussion est menée. Un bon accord se révèle entre les expériences et la théorie
| Type d'EPrint: | Thèse (Doctorat) |
|---|---|
| Directeur de Thèse: | Caignaert, Guy et Couturier-delgosha, Olivier |
| Date: | 07 Avril 2009 |
| Jury de Thèse: | Deschênes, Claire et Gabillet, Céline et Cadot, Olivier et Caignaert, Guy et Couturier-delgosha, Olivier et François, Pascal et Stutz, Benoît |
| Ecole Doctorale: | ED 432 ECOLE DOCTORALE SCIENCES DES METIERS DE L'INGENIEUR |
| Discipline: | Mécanique |
| Fonds: | Arts et Métiers ParisTech (ENSAM) |
| Institution: | ENSAM |
| Laboratoire: | LML, Arts et Métiers Paristech, Lille |
| Sujets: | 5. Mécanique des fluides et énergétique |
| Mots-clés libres: | Hydrophone., Cavitation, Void fraction, Pressure transducer, Hydrophone, Cavitation, Taux de vide, Capteur de pression, Hydrophone. |
| Code ID: | 5234 |
| Déposé par : | Hiva Shamsborhan |
| Déposé le : | 23 Juillet 2009 |
Table des Matières
SOMMAIRE - 4
NOMENCLATURE - 7
INTRODUCTION - 10
CHAPITRE I : DESCRIPTION DE LA PROBLEMATIQUE - 13
1.1. PHENOMENE DE CAVITATION - 14
1.2. MODELISATION NUMERIQUE DE LA CAVITATION - 16
1.3. PROPAGATION DU SON EN MILIEU DIPHASIQUE HOMOGENE - 17
1.3.1. Modèles théoriques - 19
1.3.1.1. Modèle de Jakobsen - 19
1.3.1.2. Modèle de Brennen - 19
1.3.1.3. Modèle de Nguyen - 19
1.3.2. Expériences précédentes - 22
CHAPITRE II : DISPOSITIF EXPERIMENTAL - 25
2.1. INTRODUCTION - 26
2.2. INSTALLATION - 26
2.2.1. Description du banc et de la 1ère veine d’essais - 26
2.2.2. Création de la cavitation homogène - 27
2.2.2.1. Homogénéisation de l’écoulement - 30
A. Installation d’un nid d’abeille en aval de la grille - 30
B. Installation d’un diaphragme en amont de la grille - 31
2.2.2.2. Modification de la veine d’essais en vue des mesures en cavitation - 33
A. Aspect théorique et pertes de charge - 33
B. Conception de la 2ème veine d’essais - 34
2.2.2.3. Dispositif pour l’injection d’air - 35
2.3. INSTRUMENTATION - 37
2.3.1. Mesure du taux de vide - 37
2.3.1.1. Principe de fonctionnement de la sonde optique - 37
2.3.1.2. Estimation du taux de vide et du diamètre caractéristique de bulle - 38
2.3.1.3. Etalonnage de la sonde - 39
2.3.1.4. Effet du bruit de fond pour la sonde - 43
2.3.2. Mesure de la célérité du son - 44
2.3.2.1. Méthode à deux hydrophones - 44
A. Aspects théoriques - 44
i. Technique des inter/auto corrélations - 45
ii. Technique des inter/auto spectres - 45
B. Aspects pratiques - 46
i. Protocole expérimental pour aboutir à la vitesse du son - 46
ii. Critères sur l’utilisation des hydrophones - 48
2.3.2.2. Méthode à trois capteurs de pression - 49
A. Descriptif du montage - 49
B. Aspects théoriques - 50
C. Vitesse du son dans un mélange diphasique en milieu libre - 51
D. Détermination de la cohérence des mesures - 52
E. Critère sur la fréquence de coupure de la conduite - 53
CHAPITRE III : ETALONNAGE ET VALIDATION DES MESURES DE LA
CELERITE DU SON - 54
3.1. INTRODUCTION - 55
3.2. MESURE AVEC 2 HYDROPHONES EN VIS-A-VIS - 55
3.2.1. Théorie - 55
3.2.2. Mesure sans écoulement (au repos) - 55
3.2.3. Mesure avec écoulement - 56
3.3. MESURE AVEC 3 CAPTEURS DE PRESSION - 57
3.4. CONCLUSIONS TIREES DE L’ETALONNAGE DU SYSTEME - 59
CHAPITRE IV : ESSAIS EN ECOULEMENT EAU-AIR - 60
4.1. INTRODUCTION - 61
4.2. MESURES DANS LA 1ERE VEINE D’ESSAIS - 61
4.3. MESURES DANS LA 2EME VEINE D’ESSAIS - 65
4.4. CONCLUSION - 68
CHAPITRE V : ESSAIS EN ECOULEMENT CAVITANT - 69
5.1. INTRODUCTION - 70
5.2. MESURES EN ECOULEMENT CAVITANT - 70
5.2.1. Dispositif d’essais - 70
5.2.2. Prise en compte du nombre de Mach - 74
5.2.3. Résultats - 76
5.2.4. Influence de la vitesse de l’écoulement - 78
5.3. CONCLUSION - 80
CONCLUSION GENERALE - 82
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 83
ANNEXES - 86
ANNEXE I - 87
ANNEXE II - 89
ANNEXE III - 91
ANNEXE IV - 96
ANNEXE V - 97
ANNEXE VI - 98
ANNEXE VII - 99
ANNEXE VIII - 100
ANNEXE IX - 101
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