Development of a measurement method of the speed of sound in two-phase flows applying to cavitating flows.
Développement d'une méthode de mesure de la célérité du son en écoulement diphasique application aux écoulements cavitants
Abstract
The speed of sound in cavitating flows varies signifi cantly according to the local void fraction. Actually, it is close to 1500 mis in pure water, 400 m/s in the vapor, and it may decrease drastically in the liquid-vapour mixture. This implies that cavitating flows are nearly incompressible in areas of pure liquid, and highly compressible in two-phase flow regions. Taking into account the compressibility of the flow in numerical simulations is necessary to reproduce some campIex mechanisms associated with cavitation instabilities. This requires a correct estimation of the local speed of sound in a cavitating medium. The principal objective of this thesis was the creation of a homogeneous cavitating area in order to measure the speed of sound inside. So an experimental device was developed to create such an area. Two methods are investi gated for measurement of the speed of sound : I - with 3 equidi stant pressure transducers along the test section II- with 2 hydrophones located face to face in a cross test section. The void fraction is measured with an optical probe. The calibration of the optical probe and the validation of transducers and hydrophones measu rements, are performed in air-water flow. The method I, which is found to be more appropriate for the measurement of the speed of sound, is applied for a cavitating flow. For both flow configurations (air-water and cavitation), the results are compared with existing theoretical models and discussed. A nice agreement is obtained between the experiments and the theory.
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 mis 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 nécessité 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: J- avec 3 capteurs de pression équidistants le long de la veine d'essais TI- 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 J 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.
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