Application of spherical nanoindentation to determine the pressure of cavitation impacts from pitting tests

This article focuses on the use of spherical nanoindentation measurements to estimate the pressure of cavitation impacts and its statistical distribution. Indeed, nanoindentation techniques are supposed to represent an effective tool in this field due to the similarities between substrate deformation under liquid impact and indentation testing. First, nanoindentation experiments were used to extract the mechanical parameters of a Nickel-Aluminum-Bronze alloy; second, pitting tests were performed at different operating pressures, and the geometrical characteristics of the pits were measured; and finally, the spectra of impact pressure and loads responsible for material erosion were obtained by coupling the findings of indentation tests with the analysis of pitting tests. Results assessed the capability of the proposed methodology to quantify the hydrodynamic aggressiveness of the cavitating flow. This procedure, which assumes the material itself as a sensor that is able to detect the impact loads, could represent an alternative solution to pressure transducers in estimating the cavitation intensit

Fluid-Structure Interaction model for collapsing cavitation bubble near deformable solid boundaries

International audienceThe motivation behind this research lies in understanding the physical mechanism of cavitation erosion in compressible liquid flows, with applications in the field of aerospace, hydrodynamics, diesel injectors etc. As a consequence of collapsing vapor cavities in cavitating flow near solid boundaries, high pressure impact loads are generated. These pressure loads are believed to be responsible for the erosive damages on solid surface observed in most applications. For our investigation, the initial geometry is a single vapor bubble near a solid boundary collapsing due to the pressure difference between the bubble and surrounding liquid. The numerical approach employs a simplified homogenous mixture or 'single fluid' model with barotropic assumption in a fully compressible finite-volume fluid solver. The numerical method is validated against the well-known Rayleigh collapse of a pure 3D vapour bubble. It is then used for the simulation of a 2D vapour bubble collapsing in the proximity of a solid boundary placed at a specified distance from the centre of the bubble. The pressure loads are computed from the evolving dynamics of collapsing bubble near a solid boundary which can be used to determine the resulting surface deformation. The developed compressible cavitation solver in the CFD code 2 can efficiently model small and large scale cavitating structures in a fully resolved three dimensional flow

Modeling Fluid-Structure Interaction in Cavitation Erosion using Smoothed Particle Hydrodynamics

International audienceIn the present study a meshless Smoothed Particle Hydrodynamics cavitation solver is developed. The fluid bubble collapse solver is validated against analytical Rayleigh-Plesset equation and shows good agreement. The solid solver capable of solving elastic-plastic deformation and material damage is developed and is validated against FEM results. A fluid structure interaction solver capable of solving cavitation erosion is presented. A single bubble collapse is demonstrated in the paper

Caractérisation expérimentale du décrochage dynamique dans les hydroliennes à flux transverse par la méthode PIV (Particle Image Velocimetry). Comparaison avec les résultats issus des simulations numériques

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions deux composantes (2D-2C) et deux dimensions trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine.This PhD thesis has been carried out within the framework of the HARVEST project. This research program, initiated in 2001 by the LEGI laboratory (Grenoble, France), is devoted to the development of a new marine turbine concept inspired from Darrieus turbines in order to convert kinetic energy of marine, tidal or river currents into electric energy. This work has been focused on the development of an experimental apparatus based on two dimensions two components (2D-2C) and two dimensions three components (2D-3C) Particle Image Velocimetry. The objective is to provide an experimental database for the local validation of 2D and 3D RANS computations and to improve our understanding of unsteady hydrodynamics phenomena experienced in this type of turbine and especially of dynamic stall. Comparison between measurements and computations enabled to identify strengths and limitations of numerical models for various operating conditions of this type of turbine.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Cavitation hydrodynamique de nanofluides dans des microcanaux

La réalisation de micro diaphragmes et de micro Venturis dont la section de passage est de quelques dizaines de µm2 nous a permis d'obtenir des écoulements cavitants à des débits inférieurs au µl/h. Des liquides disponibles en quantité limitée peuvent ainsi être caractérisés. Nous avons étudié des nanofluides constitués de nanoparticules dispersées dans de l'eau DI. Les phénomènes de métastabilité de l'eau pure et de nucléation hétérogène causée par la phase dispersée ont été observés et analysés

Résistance à l'érosion par cavitation de revêtements UHMWPE fritté et corrélation mécanique

La résistance à l'érosion par cavitation de revêtements UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) avec des masses moléculaires allant de 0.6 Mg/mol à 10.5 Mg/mol a été étudiée grâce à un tunnel hydrodynamique permettant d'atteindre une vitesse de 90 m/s. Ces revêtements ont été obtenus par frittage sur un substrat métallique texturé par EBM (Electron Beam Melting) permettant une adhésion mécanique. L'UHMWPE ayant une masse moléculaire de 10.5 Mg/mol a montré une exceptionnelle résistance à l'érosion par cavitation, bien supérieure à celle de l'acier inoxydable (SS A2205) ; contrairement au matériau de masse moléculaire 0.6 Mg/mol qui présente une résistance proche de celle des métaux conventionnels (en termes de profondeur d'érosion). Pour expliquer ces différences de comportement, les UHMWPE de différentes masses moléculaires ont été caractérisés par compression à différentes vitesses de déformation allant du quasi statique (10 -4s-1) à une vitesse de déformation de 2 ; s-1 obtenue par barres de Hopkinson et en fatigue dans le domaine viscoélastique et viscoplastique. Les résultats de ces essais sont ensuite utilisés pour calibrer un modèle rhéologique élasto-viscoplastique de manière à quantifier les différentes contributions. La viscoélasticité plus importante dans le cas de la masse moléculaire la plus élevée est avancée comme une piste d'explications pour son exceptionnelle résistance à l'érosion par cavitation

Determination of cavitation load spectra—Part 2: Dynamic finite element approach

Cavitation erosion is a well-known problem in fluid machineries which occurs due to repeated hydrodynamic impacts caused by cavitation bubble collapse. Cavitation pitting test is often used for the quantification of flow aggressiveness required for lifetime prediction of hydraulic equipment. Understanding the response of the target material under such hydrodynamic impact is essential for correctly interpreting the results obtained by cavitation pitting test. Moreover the proper knowledge of cavitation pitting mechanism would enable us to design new materials more resistant to cavitation erosion. In this paper, the dynamic behavior of three materials 7075 Aluminum alloy, 2205 duplex stainless steel and Nickel–Aluminum Bronze under cavitation hydrodynamic impact has been studied in details by using finite element simulations. The applied load due to hydrodynamic impact is represented by a Gaussian pressure field which has a peak stress and, space and time evolution of Gaussian type. Mechanism of cavitation pit formation and the effect of inertia and strain rate sensitivity of the materials have been discussed. It is found that if the impact duration is very short compared to a characteristic time of the material based on its natural frequency, no pit would form into the material even if the impact stress is very high. It is also found that strain rate sensitivity reduces the size of the deformed region and thereby could enhance the cavitation erosion resistance of the material