Two-phase flow liquid-gas in a rough contact for high performance metal seals applications.
Étude des écoulements diphasiques liquide-gaz dans un contact rugueux pour des applications d’étanchéité métallique hautes performances
Résumé
Some industrial applications are subject to strict sealing standards for various reasons, particularly safety. The mechanical assemblies they use consist of two flanges made of hard metallic material and a gasket made of soft metallic material. The flanges have surface imperfections due to the manufacturing process (notably turning), providing interfaces with multi-scale defects that persist during tightening.To date, the sealing performance of a gasket is characterized by a gas test, even if it is intended to seal a liquid, because of the complexity of analyzing a liquid leak (capillarity, wettability, etc.). First, we address this issue by measuring liquid leakage in microchannels that idealize the flange-gasket interface. These microchannels are engraved on an aluminum layer and covered with a glass plate. During these measurements, we observed that the numerical prediction of a liquid leak depends on an accurate approximation of the capillary and wettability effects. Another effect, related to film flows, is then studied by considering a leak path resulting from the flange-gasket interface as a flattened triangular cross-sectional channel, approximating the machining grooves of the flange.The modeling is based on the theory of lubrication, considering two scenarios in which a constant flow rate or a constant pressure is imposed at the inlet of the channel. In the first case, we show that the liquid flow can exhibit two regimes : a development of films in the corners with increasing thickness at the inlet, followed by complete invasion when the inlet thickness reaches a certain threshold. In the second scenario, depending on the imposed pressure level, the flow may occur only at the corners or in a regime where the liquid flows throughout the channel with an advancing film. Based on this study, a simplified analysis is proposed to predict and estimate the time for a liquid leak to appear. We then develop a leakage calculation when the flow occurs with phase change under an imposed pressure condition at the liquid inlet of the channel. All of these findings highlight the sometimes crucial role that corner films play in the imbibition process, which must be considered in a detailed study of leakage mechanisms under imbibition conditions.
Certaines applications industrielles sont soumises à des normes d’étanchéité strictes pour différentes raisons notamment sécuritaires. Les assemblages mécaniques qu’elles utilisent sont constitués de deux brides en matériau métallique dur et d’un joint en matériau métallique mou. Les brides possèdent des défauts de surface dus au procédé de fabrication (notamment par tournage), offrant des interfaces comportant des défauts multi-échelles qui persistent lors du serrage. A ce jour, l’étanchéité d’un joint est caractérisée par un test en gaz même si ce dernier doit étancher un liquide, à cause de la complexité d’analyse d’une fuite liquide (capillarité, mouillabilité,etc.). Dans un premier temps, nous abordons cette dernière problématique en réalisant des mesures de fuite liquide dans des microcanaux, idéalisant l’interface bride-joint. Ces microcanaux sont gravés sur une couche d’aluminium et recouverts d’un plan en verre. Lors de ces mesures, nous avons observé que la prédiction numérique d’une fuite liquide dépend de la bonne approximation des effets capillaires et de mouillabilité. Un autre effet, lié aux écoulements en film, est ensuite étudié en considérant un chemin de fuite résultant de l’interface bride-joint comme un canal de section triangulaire aplatie, en approximation de la strie d’usinage de la bride. La modélisation est basée sur la théorie de la lubrification en considérant deux scénarios où l’on impose soit un débit constant en entrée du canal soit une pression constante. Dans le premier cas, on montre que l’écoulement du liquide peut présenter deux régimes : un développement des films dans les coins avec une augmentation d’épaisseur en entrée suivi d’une invasion complète lorsque l’épaisseur en entrée atteint un certain seuil. Dans le deuxième scénario, selon le niveau de pression imposé, l’écoulement peut être dans un régime où l’écoulement ne se développe que dans les coins ou plutôt dans un régime où le liquide s’écoule dans tout le canal avec un film en amont. Partant de cette dernière étude, une analyse simplifiée permettant de prédire et d’estimer le temps d’apparition d’une fuite liquide est proposée. Nous développons ensuite un calcul de fuite lorsque l’écoulement se produit avec changement de phase sous une condition de pression
Domaines
Mécanique [physics]Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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