La cavitation est un phénomène physique connu depuis la fin du XIXe siècle, mais formulé dès 1750 par le mathématicien suisse Leonhard Euler.
Ce phénomène concerne exclusivement l’écoulement des liquides ; les gaz ne peuvent pas présenter de cavitation.
Ce n’est que très récemment que l’on a compris comment la contrôler et exploiter ses caractéristiques de manière optimale.
Lorsqu’elle se produit de manière contrôlée, elle n’entraîne ni dommage ni usure des matériaux concernés, sinon elle représente l’un des effets les plus dégénératifs que l’on puisse rencontrer en hydraulique.
La cavitation, outre son caractère physique, est aussi un processus mécanique influencé par la thermodynamique du système.
Jusqu’à quelques années, elle était considérée exclusivement comme un phénomène extrêmement négatif et dégénératif pouvant se produire dans les canalisations, les turbines et les pompes. Après plusieurs études, les scientifiques ont découvert qu’il est lié à la pression de vapeur d’un fluide : le phénomène se maintient tant que la pression entre le liquide et sa vapeur est équilibrée.
Il se produit lors de la vaporisation locale d’un liquide, qui se produit lors du détachement de la couche limite du fluide. Si elle n’est pas recherchée et souhaitée, elle génère des pertes de rendement et une érosion importantes.
Pour définir l’ampleur de la cavitation, on utilise l’unité de grandeur appelée indice de cavitation (K), qui est une fonction du saut de pression ; où p1 représente la pression amont, p2 la pression aval et pv la pression de vapeur. Lorsque l’indice de cavitation diminue, le développement de la cavitation s’intensifie.
Si, à une certaine température, la pression absolue dans le liquide devient égale ou inférieure à la pression de vapeur, des bulles microscopiques de vapeur se forment rapidement, en quelques microsecondes. Ces bulles microscopiques, de forme sphérique-toroïdale, ont une température de plusieurs milliers de degrés Celsius et une pression de plusieurs centaines d’atmosphères (BAR), et produisent des jets localisés de liquide à des vitesses supérieures à 100 m/s.
Cette formation de bulles, généralement de très courte durée, résulte d’une réduction de la pression à des valeurs inférieures à la pression de vapeur du liquide lui-même. De ce fait, le liquide se transforme très rapidement en gaz, formant des bulles (appelées « microcavités »). Cependant, elles s’effondrent tout aussi rapidement dès que l’écoulement les éloigne de la zone dont les conditions physiques particulières ont permis leur formation.
La succession de formation et d’implosion des « microcavités » génère à son tour une séquence d’ondes de choc ou d’ultrasons.
