Une approche moléculaire de la réponse de friction ultime des fluides confinés

A molecular approach to the ultimate friction response of confined fluids

• Auteur / Autrice : Alejandro Porras Vazquez
• Direction : Nicolas Fillot, Laëtitia Martinie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 29/10/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Tribologie et Mécanique des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Laurent Joly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Fillot, Laëtitia Martinie, Laurent Joly, Guillaume Galliero, Ashlie Martini, Kirsten Martens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Galliero, Ashlie Martini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lubrifiants

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Lubrification Elasto-Hydrodynamique (EHL)

Dynamique moléculaire

Contrainte limite tangentielle

Transition de phase

Mobilité moléculaire

Contact lubrifié

Contrainte de cisaillement

Comportement en cisaillement

Echelle atomique

Fluide lubrifiant

Frottement

Ecoulement des fluides

Fluid mechanics

Elasto-Hydrodynamic lubrication

Molecular dynamics

Limiting shear stress

Phase Transition

Molecular mobility

Lubrication contact

Lubricant

Shear effect

Limiting shear stress

Atomic scale

Lubricating fluid

Shear

Fluid flows

Résumé

Afin de contrôler les pertes d'énergie dans les systèmes mécaniques, un film mince de lubrifiant est souvent introduit entre les solides en contact. Les contacts lubrifiés ponctuels fonctionnent en régime élastohydrodynamique, caractérisé par des pressions élevées (de l’ordre du GPa) et des épaisseurs de film minces (de l’ordre de 100 nanomètres). A des taux de cisaillement élevés, le fluide peut présenter une contrainte de cisaillement limite dont l’origine physique est encore incertaine. Actuellement, les modèles empiriques disponibles pour la prédiction du frottement ne décrivent pas la réponse ultime des lubrifiants dans ces conditions sévères. De plus, l'analyse expérimentale in-situ est très difficile à réaliser en raison du confinement et des fortes pressions. Ainsi, dans cette thèse, le problème est abordé sous l’angle de la modélisation à l’échelle atomique. Le comportement en cisaillement de trois de fluides (un fluide de traction, un lubrifiant modèle et un lubrifiant industriel pour le secteur aérospatial) est analysé par simulation Dynamique Moléculaire. Les résultats numériques sont ensuite comparés qualitativement et quantitativement à des essais expérimentaux. La réponse en frottement est indépendante du profile de vitesse dans l’épaisseur du confinement, ce dernier apparaissant plutôt comme une conséquence des conditions limites aux surfaces. Le régime de frottement limite apparaît naturellement lorsque le lubrifiant est soumis à des conditions thermodynamiques caractéristiques d’un état solide. Dans ce cas, la dynamique des molécules est fortement ralentie. L’énergie d’activation augmente rapidement avec la pression, de sorte que la diffusion devient négligeable à forte pression, même aux taux de cisaillement sévères imposés dans les simulations Dynamique Moléculaire. La réponse macroscopique à ce phénomène est donc une saturation de la valeur du frottement. Ce travail s’achève en jetant les bases d’une modélisation qui pourra permettre la prédiction du frottement lubrifié sous conditions sévères.

In order to control energy losses in mechanical systems, a thin film of lubricant is often introduced between the solids in contact. The lubricated point contacts operate in the elastohydrodynamic regime, characterized by high pressures (of the order of GPa) and thin film thicknesses (of the order of 100 nanometers). At high shear rates, the fluid may exhibit a limiting shear stress whose physical origin is still uncertain. At present, the empirical models available for the prediction of friction fail to describe the ultimate response of lubricants at these severe operating conditions. In addition, in-situ experimental analysis is very difficult to achieve due to confinement and high pressures. Thus, in this thesis, the problem is approached from the angle of modeling at the atomic scale. The shear behavior of three fluids (a traction fluid, a model lubricant and an industrial lubricant for the aerospace industry) is analyzed by Molecular Dynamics Simulation. The numerical results are then compared qualitatively and quantitatively with experimental tests. The friction response is independent of the velocity profile in the confinement thickness, the latter appearing rather as a consequence of boundary conditions at the surfaces. The limiting friction regime naturally occurs when the lubricant is subjected to thermodynamic conditions characteristic of a solid state. In this case, the dynamics of the molecules is strongly slowed down. The activation energy increases rapidly with the pressure, so that the diffusion becomes negligible at high pressure, even at the severe shear rates imposed in the Molecular Dynamics simulations. The macroscopic response to this phenomenon is thus a saturation of the value of friction. This work ends by laying the foundations of a modeling that will allow the prediction of lubricated friction under severe conditions.