Porteurs du projet :
Cornel IOANA (Grenoble INP – UGA, Gipsa-lab)
Régiane FORTES-PATELLA (Grenoble INP – UGA, LEGI)
Gildas BESANÇON (Grenoble INP – UGA, Gipsa-lab)
Carmen BADINA (EDF – DTG)
Antoine ARCHER (EDF R&D)
Doctorant : A recruter
Contexte et descriptif :
Le projet porte sur la cavitation : il s’agit d’un phénomène qui survient dans un écoulement initialement liquide lorsque la pression statique atteint la pression de vapeur du liquide, en raison d’une dépressurisation ou d’une élévation locale de la vitesse d’écoulement. Ce phénomène provoque alors un changement de phase : une partie de l’eau liquide se transforme en vapeur. Les structures de vapeur ainsi formées sont entraînées par l’écoulement vers des zones de pression plus élevée où elles implosent violemment. Ces implosions génèrent des fluctuations de pression, du bruit, ainsi que des vibrations. Lorsqu’elles se produisent à proximité des parois et avec une intensité suffisante, elles peuvent endommager les matériaux, entraînant une perte de matière progressive appelée érosion de cavitation.
À ce jour, aucune méthode complétement validée ne permet de prédire ce phénomène ou de mesurer, avec précision, la vitesse d’usure induite par la cavitation. Les verrous scientifiques à lever sont encore nombreux pour bien comprendre et caractériser les mécanismes physiques associés en vue de garantir une maîtrise durable des outils de production.
Le groupe EDF, de par son parc important de composants hydrauliques (pompes, turbines hydrauliques, vannes, diaphragmes) reste donc fortement concerné par ce mécanisme d’usure, à la fois pour le domaine de la conception et pour le domaine de l’exploitation et de la maintenance.
L’objectif industriel est de développer une technique de surveillance à base de mesures in-situ et Jumeaux Numériques, permettant :
• d’identifier la présence d’écoulements cavitants,
• d’estimer l’agressivité de l’écoulement et l’usure de la machine,
• de définir une stratégie de fonctionnement adaptée,
• de simuler des scenarii d’endommagement par cavitation (en contexte de production hydroélectrique notamment).
La méthodologie s’appuiera sur une technique ultrasonore non-intrusive pour la détection de la cavitation basée sur le traitement du signal acoustique [1-3]. Les résultats expérimentaux obtenus seront couplés à un modèle théorique permettant la prévision d’endommagement et de durée de vie des équipements, en vue d’optimiser leur exploitation et leur maintenance [4-5], à base de Jumeau Numérique [6].
Références :
[1] Nati M., Digulescu A., Ioana C., Badina C., Fortes Patella R., Maruzwski P., 2025, Ultrasonic detection of erosive cavitation in hydraulic turbines, Proc. IAHR WG 2025 conference, Brno, October 1-3, 2025
[2] Badina C., Ernst O., Maruzewsk P., Ioana C., Fortes-Patella R., 2024, Non-intrusive monitoring of erosive cavitation, Proc. Conference Hydro 2024, 8-20 November 2024 Messe Congress Graz (MCG), Austria
[3] Digulescu A., Ioana C., Serbanescu A. 2019, Phase diagram-based sensing with adaptive waveform design and recurrent states quantification for the instantaneous frequency law tracking. Sensors (Basel). 2019 May 28;19(11):2434. doi: 10.3390/s19112434. PMID: 31141950; PMCID: PMC6603687
[4] Fortes Patella R., Challier G., Reboud J.L., Archer A., 2013, Energy balance in cavitation erosion: from bubble collapse to indentation of material surface, Journal of Fluids Engineering – Transactions of ASME, Vol. 135 / 011303-1 to 11
[5] Fortes Patella R., Choffat T., Reboud J.L., Archer A., 2013, Mass loss simulation in cavitation erosion: fatigue criterion approach, Wear, Reference: WEA100623, http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2013.01.118.
[6] A. Alonso, G. Robert et G. Besançon, A physics-based multi-regime approach for estimation of head losses in operating hydropower plants, Journal of Process Control, August 2025
Objectifs :
L’objectif premier du projet est de proposer une méthode pour détecter la présence de la cavitation et donner une grandeur caractéristique de l’« intensité de cavitation » (i.e., de l’agressivité) de l’écoulement cavitant à partir des signaux mesurés par ultrasons.
L’étude passera par des supports expérimentaux, en deux étapes :
a) Dans un premier temps, on s’intéressera à l’échelle d’une bulle de vapeur implosant à proximité d’une paroi solide. Des campagnes d’essais pour analyser l’implosion d’une bulle générée par laser dans une cuve pressurisable seront menés en collaboration avec différents partenaires. On pourra ainsi associer aux mesures par ultrasons, des analyses de marquage sur des échantillons de différents matériaux, des mesures par hydrophone, par capteur de pression et/ou des visualisations.
b) On appliquera la méthode également pour caractériser des écoulements cavitants au sein de différentes boucles d’essais (en géométrie fixe et en machines tournantes) et lors d’essais in-situ. La méthodologie d’essais, de post-traitement et de modélisation mise en place sera associée au développement et à l’exploitation d’outils de type Jumeau Numérique
