Modélisation numérique du comportement thermo aéro dynamique des garnitures d'étanchéité pour gaz réels hautes pressions

par Sébastien Thomas

Thèse de doctorat en Génie mécanique, productique, transport

Sous la direction de Bernard Tournerie et de Noël Brunetière.

Soutenue en 2006

à Poitiers , en partenariat avec Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (autre partenaire) .


  • Résumé

    Les garnitures mécaniques assure l'étanchéité d'arbres tournants. L'augmentation des contraintes de fonctionnement a conduit au développement de garnitures à gaz fonctionnant sans contact des faces, séparées par un film fluide de très faible épaisseur. Le frottement entre les anneaux de la garnitures, et donc l'usure, est évité. L'étude bibliographique révèle que peu de travaux sur les garnitures pour gaz à hautes pressions ont été réalisés. Les caractéristiques d'un écoulement à haute pression sont examinées et les points-clefs du modèle sont définis : gaz réels, effets d'inertie, effets thermiques, écoulement bloqué. A hautes pressions, le comportement du gaz diffère de celui d'un gaz parfait, un modèle de gaz réel est donc développé. L'équation de Reynolds pour un fluide compressible est modifiée afin de prendre en compte les effets d'inertie. Les effets thermiques dans l'écoulement sont également introduits dans le modèle. L'écoulement bloqué à la sortie du film fluide est résolu grâce à une méthode originale. Les déformations des solides et le couplage thermique sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. La méthode des éléments finis est utilisée pour la discrétisation des équations et un algorithme itératif permet la détermination des champs de pression et de température. La comparaison avec une solution analytique et des données expérimentales permet de valider le modèle. L'influence du modèle du gaz est présentée. L'étude paramétrique menée avec le modèle numérique permet d'étudier l'influence des effets d'inertie sur l'écoulement par rapport au cas purement visqueux. Finalement, le couplage fluide-solides est étudié. Cette analyse montre que les déformations des faces influencent notablement le comportement des garnitures.

  • Titre traduit

    Numerical modelling of the thermo-aerodynamic behaviour of mechanical face seals for real gases at high pressure


  • Résumé

    The mechanical face seals ensure the sealing of rotating shafts. The increase in operating conditions led to the development of gas face seals functioning without face contact, separated by a thin fluid film. Friction between the ring of the face seal, and thus wear, is avoided. The bibliographical study reveals that few work on the gas faces seals with high pressures were carried out. The characteristics of a flow at high pressure are examined and the important points of the model are defined: real gases, inertia effects, thermal effects, choked flow. With high pressures, the behaviour of the gas differs from that of a perfect gas, a real gas model is thus developed. The equation of Reynolds for a compressible fluid is modified in order to take into account the inertia effects. The thermal effects in the flow are also introduced into the model. The choked flow at the exit of fluid film is solved by an original method. The solid distortions and the thermal coupling are taken into account by the method of the influence coefficients. The finite element method is used for the discretization of the equations and an iterative algorithm allows the determination of the fields of pressure and temperature. The comparison with an analytical solution and experimental data validates the model. The influence of the model of gas is presented. The parametric study undertaken with the numerical model makes it possible to study the influence of the inertia effects on the flow compared to the dominated viscous flow. Finally, the coupling between fluid and solids is studied. This analysis shows that the face distortions influence the behaviour of the face seals.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (195 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 53 réf.

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  • Cote : 06/POIT/2287
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