Shamsborhan, Hiva (2009) Development of a measurement method of the speed of sound in two-phase flows applying to cavitating flows. PhD thesis Mécanique, LML, Arts et Métiers Paristech, Lille, ENSAM 2009ENAM0005 p.103.
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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.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| PhD Supervisor: | Caignaert, Guy and Couturier-delgosha, Olivier |
| Date: | 07 April 2009 |
| Board of examiners: | Deschênes, Claire and Gabillet, Céline and Cadot, Olivier and Caignaert, Guy and Couturier-delgosha, Olivier and François, Pascal and Stutz, Benoît |
| Ecole Doctorale: | ED 432 ECOLE DOCTORALE SCIENCES DES METIERS DE L'INGENIEUR |
| Discipline: | Mécanique |
| Collection (Fonds): | Arts et Métiers ParisTech (ENSAM) |
| Institution: | ENSAM |
| Department: | LML, Arts et Métiers Paristech, Lille |
| Subjects: | 5. Fluid Mechanics and Energy |
| Uncontrolled Keywords: | Hydrophone., Cavitation, Void fraction, Pressure transducer, Hydrophone, Cavitation, Taux de vide, Capteur de pression, Hydrophone. |
| ID Code: | 5234 |
| Deposited By: | Hiva Shamsborhan |
| Deposited On: | 23 July 2009 |
Table of content
SOMMAIRE - 4
NOMENCLATURE - 7
INTRODUCTION - 10
CHAPITRE I : DESCRIPTION DE LA PROBLEMATIQUE - 13
1.1. PHENOMENE DE CAVITATION - 14
1.2. MODELISATION NUMERIQUE DE LA CAVITATION - 16
1.3. PROPAGATION DU SON EN MILIEU DIPHASIQUE HOMOGENE - 17
1.3.1. Modèles théoriques - 19
1.3.1.1. Modèle de Jakobsen - 19
1.3.1.2. Modèle de Brennen - 19
1.3.1.3. Modèle de Nguyen - 19
1.3.2. Expériences précédentes - 22
CHAPITRE II : DISPOSITIF EXPERIMENTAL - 25
2.1. INTRODUCTION - 26
2.2. INSTALLATION - 26
2.2.1. Description du banc et de la 1ère veine d’essais - 26
2.2.2. Création de la cavitation homogène - 27
2.2.2.1. Homogénéisation de l’écoulement - 30
A. Installation d’un nid d’abeille en aval de la grille - 30
B. Installation d’un diaphragme en amont de la grille - 31
2.2.2.2. Modification de la veine d’essais en vue des mesures en cavitation - 33
A. Aspect théorique et pertes de charge - 33
B. Conception de la 2ème veine d’essais - 34
2.2.2.3. Dispositif pour l’injection d’air - 35
2.3. INSTRUMENTATION - 37
2.3.1. Mesure du taux de vide - 37
2.3.1.1. Principe de fonctionnement de la sonde optique - 37
2.3.1.2. Estimation du taux de vide et du diamètre caractéristique de bulle - 38
2.3.1.3. Etalonnage de la sonde - 39
2.3.1.4. Effet du bruit de fond pour la sonde - 43
2.3.2. Mesure de la célérité du son - 44
2.3.2.1. Méthode à deux hydrophones - 44
A. Aspects théoriques - 44
i. Technique des inter/auto corrélations - 45
ii. Technique des inter/auto spectres - 45
B. Aspects pratiques - 46
i. Protocole expérimental pour aboutir à la vitesse du son - 46
ii. Critères sur l’utilisation des hydrophones - 48
2.3.2.2. Méthode à trois capteurs de pression - 49
A. Descriptif du montage - 49
B. Aspects théoriques - 50
C. Vitesse du son dans un mélange diphasique en milieu libre - 51
D. Détermination de la cohérence des mesures - 52
E. Critère sur la fréquence de coupure de la conduite - 53
CHAPITRE III : ETALONNAGE ET VALIDATION DES MESURES DE LA
CELERITE DU SON - 54
3.1. INTRODUCTION - 55
3.2. MESURE AVEC 2 HYDROPHONES EN VIS-A-VIS - 55
3.2.1. Théorie - 55
3.2.2. Mesure sans écoulement (au repos) - 55
3.2.3. Mesure avec écoulement - 56
3.3. MESURE AVEC 3 CAPTEURS DE PRESSION - 57
3.4. CONCLUSIONS TIREES DE L’ETALONNAGE DU SYSTEME - 59
CHAPITRE IV : ESSAIS EN ECOULEMENT EAU-AIR - 60
4.1. INTRODUCTION - 61
4.2. MESURES DANS LA 1ERE VEINE D’ESSAIS - 61
4.3. MESURES DANS LA 2EME VEINE D’ESSAIS - 65
4.4. CONCLUSION - 68
CHAPITRE V : ESSAIS EN ECOULEMENT CAVITANT - 69
5.1. INTRODUCTION - 70
5.2. MESURES EN ECOULEMENT CAVITANT - 70
5.2.1. Dispositif d’essais - 70
5.2.2. Prise en compte du nombre de Mach - 74
5.2.3. Résultats - 76
5.2.4. Influence de la vitesse de l’écoulement - 78
5.3. CONCLUSION - 80
CONCLUSION GENERALE - 82
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 83
ANNEXES - 86
ANNEXE I - 87
ANNEXE II - 89
ANNEXE III - 91
ANNEXE IV - 96
ANNEXE V - 97
ANNEXE VI - 98
ANNEXE VII - 99
ANNEXE VIII - 100
ANNEXE IX - 101
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