Université : Batna -2. Département : Hydraulique. Enseignant : Dr. Hoggas B. 2020
CHAPITRE 4: ETUDE DE LA CAVITATION DANS LES POMPES
1.Phénomène de la cavitation.
1.1.Définition :
On appel cavitation du mot grec : cavi = vide ; ou du latin : cavus =trou. Mais le sens
physique de la cavitation c’est la naissance de l’oscillation radiale des bulles de gaz ou de
vapeur dans un liquide soumis à une dépression, la cavitation se produit pour la condition
suivante : quand la pression du liquide < la pression de la vapeur saturante:
, ou :
La pression de vapeur saturante
: est la pression à laquelle la phase gazeuse d'une
substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide à une température donnée dans un
système fermé voir (fig.1). L'expression tension de vapeur est parfois utilisée pour désigner la
pression de vapeur saturante.
Cavitation
Ebullition
Fig. 1. Diagramme de phase de l’eau ; indiquant pour une diminution de pression pour une
température ambiante constante se produira le phénomène de cavitation.
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2. Etude théorique de la cavitation.
La cavitation est un phénomène provoqué dans la région de l’écoulement d’un liquide par
l’abaissement de la pression au-dessous de la valeur critique, proche de la pression de vapeur
saturante (fig.1), il consiste dans la formation de cavités remplies d’air ou de gaz dans la
région où la pression du liquide sera inferieur a sa pression de vapeur saturante (
),
et leur écrasement dans la région a pression plus élevée. L’allure de phénomène de cavitation
est la suivante : voir figure : 2,3 et 4.
Les bulles de vapeur du liquide se forment dans les régions de baisse pression, ensuite
entrainées par le liquide dans la région de pression supérieure, elles subissent une implosion.
Ses implosions se produisent alors à des fréquences élevées et créent des surpressions locales
très élevées (jusqu'à des centaines de bars) :
Fig.2. Formation des bulles de l’air ou de gaz pour un écoulement
permanant dans un tube de venturi.
Fig. 3.Les étapes de formation les bulles de gaz
provoquant le processus de cavitation
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Fig.4. effet de micro explosion (jet d’eau) sur la paroi de la conduite
3. Causes et conséquences de la cavitation.
3.1. Conséquences de la cavitation : La cavitation est un phénomène à éviter absolument, car
il entraîne de graves conséquences:
A - érosion du matériau pouvant aller jusqu'au perçage des aubes de la roue des pompes
centrifuges : voir ( fig. 5).
B - Augmentation du bruit et des vibrations générées par la pompe ;
C -chutent des performances des pompes avec diminution importante de la hauteur
manométrique totale, du débit et du rendement.
Fig. 5 : Erosion d’une pompe centrifuge (roue) exposée à la cavitation.
3.2. Les causes de la cavitation: La baisse de pression qui produit le phénomène de cavitation
peut être dû :
A- à l’élévation géométrique au-dessus du niveau libre de l’eau à l’aspiration de la pompe ;
b- Aux pertes de charge dans la tuyauterie d’aspiration ;
c- À l’énergie cinétique de l’eau mise en mouvement, particulièrement importante dans la
roue de la pompe ;
d- ondes acoustiques entrainent des variations de la densité de liquide ;
c- ondes lumineux entrainent des variations de la densité de liquide ;
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4. la cavitation dans les pompes centrifuge.
Lorsque dans un circuit hydraulique la pression descend au-dessous d’une certaine valeur,
généralement, voisine de la tension de vapeur du liquide saturante (Pv = 22 mm, à T= 20°C à
la température de l’eau), il se forme des bulles et des poches de vapeur et d’air qui, dans les
zones de pression plus élevées, peuvent se refermer brutalement en occasionnant du bruit, des
vibrations, une érosion du matériau, accompagné d’une diminution brutale de la hauteur crée
et des rendements. Les courbes caractéristiques subissent une chute brutale à partir du moment
où se produit la cavitation.
La cavitation est la vaporisation du liquide contenu dans la pompe quand il est soumis à
une pression inférieure à la tension de vapeur correspondant à sa température. Des bulles
apparaissent dans les zones où la pression est la plus faible (entrée des aubes de roue des
pompes centrifuges) : elles sont transportées dans les zones de pressions plus fortes où se
produit leur condensation. Des implosions se produisent alors à des fréquences élevées et
créent des surpressions locales très élevées.
)
5. hauteur d’aspiration admissible : la charge absolue nette à l’aspiration(
.
Selon les observations de la physique qu’on retrouve dans les ouvrages de
thermodynamique, si La pression à l’entrée de la pompe atteint la pression de la vapeur
saturante pour la température de l’eau, le liquide passe à l’état de vapeur. Une fois entrée dans
la pompe, on règne une haute pression, les bulles de vapeur implosent en produisant un bruit
de cailloux secoués, en endommageant et usant prématurément les aubes de rotor de pompes.
Sur le plan hydraulique lorsque la pompe, fonctionne en condition de cavitation, la pression et
le rendement délivrés par la pompe chutent d’une manière brusque et marquée. A un niveau
avancé de cavitation, il y a rupture de la veine de liquide et désamorçage de la pompe. En
pratique, on observe le phénomène de cavitation décrit précédemment bien avant que la
pression à l’entrée de la pompe (Pe)abs atteigne la pression de vapeur saturante Pv, qui varie
avec la température de l’eau voir : tableau N1. C’est pour cette raison que nous définissons
une charge absolue nette à l’aspiration en excédent à la charge de pression de vapeur à une
température donnée :
Alors à partir de l’équation de Bernoulli entre un point (1) situé à la surface libre du réservoir
et un point (e) situé à l’entrée de la pompe s’écrit :
(
)
(
…(1)
)
Alors à partir de (1) que la charge absolue nette à l’aspiration disponible : (
s’écrit sous la forme suivante :
(
)
(
)
(
)
ou :
(
)
:(Net Positive Suction Head) : dans les ouvrages rédigées en anglais
Pe : la pression à l’entrée de la pompe ;
Ve : la vitesse à l’entrée de la pompe ;
Hs : la hauteur d’aspiration de la pompe =Z2 - Z1;
hs : les pertes de charge dans la partie d’aspiration ;
…(2)
)
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Pv : la pression de la vapeur saturante ;
Patm : la pression atmosphérique ;
Tab. 1. : Représentative des valeurs de pression de vapeur saturante d’eau en Pascal et mbar
en fonction de température
Dans des conditions atmosphérique standards pur une température de : 20 C, il vient que :
=0.24 mC.E ; alors l’équation (2) s’écrit de la forme suivante :
mC.E. et
(
…(3)
)
Dans les conduites bien conçues, la vitesse d’écoulement et d’ordre de 1 m/s, de telle sorte que
le terme
peut soit être négligé soit inclus dans
comme terme de perte de charge
singulière avec un coefficient de CL=1, alors l’équation (3) s’écrit comme suit :
(
)
…(4)
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6. Condition de non cavitation.
)
6.1. La charge minimale requise à l’entrée de la pompe (
: le constructeur des
pompes effectue des tests indépendamment de toutes installation et détermine la charge
minimale requise à l’entrée de la pompe pour éviter le phénomène de la cavitation. Les
mesures se présentent sous la forme de la courbe caractéristique de la pompe donnant le
(
)
en fonction de débit, tel que montré sur la fig.6.
NPSHrequis
H
Q
Fig. 6. Illustration graphique de la charge requise à l’entrée de la pompe.
Alors la condition de non cavitation est donnée par l’expression suivante :
(
)
(
)
…(5)
Ou aussi la formule (5) s’écrit de la façon suivante :
(
Ou :
)
(
)
…(6)
[0.3-0.5] :[mC.E.]. Interprétation graphique de (6) est présenter sur figure
N :6.
Remarque : pour éviter la cavitation, il faudrait suivre les conditions suivantes :
1- préférer si possible les montages de pompes en charge.
2- éviter de transporter des liquides à des températures trop élevées.
3- éviter une alimentation à partir d'un réservoir sous pression réduite.
4- diminuer les pertes de charge du circuit d'aspiration.
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H
NPSHrequis
Hmarche
Courbe: NPSHdisp
Courbe: NPSHrequis
Qmax
Q
Zone de cavitation
Zone de non cavitation
Fig. 6. Interprétation géométrique de la condition non cavitation
Hs
Hr
7. La charge nette positive à l’aspiration (NPSH) Pour une installation en charge et en
dépression.
7.1. Installation en charge voir figure 7:
Fig. 7. Installation d’une pompe en charge.
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(
)
(
)
(
)
…(7)
Hs
Hr
7.2. Installation en dépression voir figure 8:
Fig. 7. Installation d’une pompe en dépression (aspiration).
La formule de la charge nette à l’aspiration a était dédié précédemment par la formule (2),(3)et
(4).
REMARQUE
Pour n’importe questions quan cernant la compréhension du cours publie
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Poser vos questions et remarques sur l’email électronique et vous
aurez les réponses sur vos emails.