L'hypothèse la plus répandue dans le choix d'une pompe est celle-ci : si la charge nette disponible à l'aspiration dépasse la charge requise (NPSHa > NPSHr), il n'y a pas de cavitation. C'est faux, et la raison est cachée dans la définition du NPSHr.
Le NPSHr est déjà un point en cavitation
La valeur publiée du NPSHr est le point où la hauteur manométrique de la pompe a chuté de 3 %. Quand cette valeur est atteinte, la cavitation a commencé depuis longtemps et une partie de l'aubage travaille sous un voile de vapeur. L'apparition de la cavitation se situe nettement au-dessus de cette valeur.
Une marge est donc nécessaire. L'ANSI/HI 9.6.1 définit la marge NPSH recommandée selon l'application, le type de pompe et l'éloignement du point de fonctionnement par rapport au point de meilleur rendement (BEP) [1]. La marge varie avec l'application — une pompe de procédé pour hydrocarbures et une pompe eau/eaux usées ne prennent pas la même.
À mesure que le point de fonctionnement s'éloigne du BEP
À charge partielle, l'écoulement n'aborde pas l'aube sous le bon angle ; décollement et recirculation apparaissent au bord d'aspiration. La pression minimale locale tombe bien en dessous de la pression moyenne d'aspiration. La même pompe qui tourne proprement au BEP peut caviter à 50 % de débit.
La conséquence pour l'analyse est la suivante : vérifier la cavitation en un seul point de fonctionnement ne suffit pas. L'extrémité à charge partielle de la courbe doit être vérifiée séparément.
Modélisation
Les modèles de cavitation tirent les taux de production et de condensation de vapeur d'une forme réduite de l'équation de Rayleigh-Plesset ; le « full cavitation model » de Singhal et de ses collaborateurs y ajoute le gaz dissous et la fluctuation turbulente de pression [2].
Points de vigilance en pratique :
- La pression de vapeur dépend de la température. De l'eau à 20 °C et de l'eau à 80 °C ne posent pas le même problème ; dans les pompes alimentaires de chaudière, c'est décisif.
- Le stationnaire induit en erreur. La pression minimale instantanée est bien inférieure à la moyenne ; la question de l'apparition exige généralement une solution instationnaire. Voir la note sur stationnaire et instationnaire.
- Utilisez le résultat de façon comparative, non absolue. Les modèles de cavitation sont faibles pour prédire l'apparition en absolu, mais fiables sur la question de savoir laquelle de deux géométries d'aube cavite plus tard. Voir la note sur les chiffres significatifs.
Le même mécanisme dans les vannes
Dans les vannes papillon et à boisseau, la pression au col descend sous la pression de vapeur pendant le laminage. Le danger n'y est pas la perte de rendement mais l'érosion causée par les bulles qui implosent en aval — le dégât se trouve souvent non dans la vanne elle-même mais dans la conduite quelques diamètres plus loin.
Références
- Hydraulic Institute. ANSI/HI 9.6.1 — Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin. Hydraulic Institute, Parsippany, NJ.
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223