Visualisation et modélisation thermohydrodynamique par éléments finis de l’alimentation des contacts lubrifiés

par Loubna Jeddi

Thèse de doctorat en Génie mécanique, productique, transport

Sous la direction de Dominique Bonneau, Mohamed El Khlifi et de Mohamed Kouam.

Soutenue en 2004

à Poitiers en cotutelle avec l'Université Hassan II (Casablanca, Maroc) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers ; 1992-2008) , en partenariat avec Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (autre partenaire) et de Université Hassan II. Faculté des sciences et techniques (Mohammedia, Maroc) (autre partenaire) .

mots clés

• Tribologie (technologie)
• Paliers lisses -- Sous-produits
• Écoulement -- Visualisation
• Éléments finis, Méthode des

Résumé

Les divers travaux sur la lubrification des paliers hydrodynamiques soulignent l’influence prépondérante de l’alimentation en lubrifiant frais sur le fonctionnement thermohydrodynamique des paliers. Une étude approfondie tant expérimentale que numérique s’avère donc nécessaire au niveau des zones d’alimentation. Un dispositif expérimental est réalisé dans le cadre de cette thèse. L’étude expérimentale de l’écoulement dans les orifices d’alimentation des paliers hydrodynamiques est effectuée à l’aide d’une méthode de visualisation par traceurs dont la résolution est optimisée par un choix judicieux des paramètres. Un code de calcul est développé pour étudier le comportement thermohydrodynamique de l’écoulement dans les rainures axiales d’alimentation des paliers hydrodynamiques. Les équations bidimensionnelles de Navier-Stokes et de l’énergie, écrites pour un écoulement laminaire d’un fluide newtonien et incompressible, sont résolues simultanément par la méthode des éléments finis en utilisant la méthode de chargement par incrémentation associée à la méthode de Newton-Raphson. La simulation numérique utilise la vitesse de l’arbre et la pression d’alimentation comme paramètres dynamiques, alors que la profondeur de la zone de raccordement de la rainure, la position du trou d’alimentation, l’angle d’attaque du jet d’alimentation, le rayon de courbure du raccordement rainure / coussinet et du raccordement trou d’alimentation / rainure sont utilisés comme paramètres géométriques. L’étude paramètrique a souligné que la pression d’alimentation, l’interaction de la couche de cisaillement avec l’écoulement dans la cavité et l’interaction du coussinet avec le domaine de la rainure à travers un raccordement carré ou arrondi influencent fortement l’écoulement thermohydrodynamique dans la rainure. Il est en particulier montré qu’un choix judicieux de profil du raccordement rainure / coussinet – à pression d’alimentation égale – permet d’augmenter l’apport en fluide frais dans le film. Finalement, la comparaison avec l’expérience montre une bonne concordance qualitative entre les lignes de courant calculées numériquement et celles visualisées expérimentalement.

Titre traduit

Visualization and finite element thermohydrodynamic modeling of the feeding of lubricated contacts

Résumé

The published studies dealing with lubrication in hydrodynamic journal bearings point out the important influence of the feeding of fresh fluid on the thermohydrodynamic behavior of the bearings. A thorough study as well experimental as numerical is thus necessary near the feeding zones. Within the framework of this thesis, an experimental device is carried out. The experimental study of the flow in the feeding orifices of the hydrodynamic journal bearings is made through the use of a visualization method. Special care is taken to optimize the resolution of the tracers by a judicious choice of the parameters. A numerical procedure is developed to study the thermohydrodynamic behavior of the flow in the axial feeding grooves of the hydrodynamic journal bearings. The bidimensional Navier-Stokes and energy equations, written for the laminar flow of a Newtonian and incompressible lubricant, are solved simultaneously by a finite element formulation that used the incremental load method associated with the Newton-Raphson method. The numerical simulation uses the journal velocity and the feeding pressure as dynamic parameters, while the groove depth, the location of the supply area, the attack angle of the feeding jet, the radius of curvature of the groove / land joints and of the supply area / groove joints are used as geometric parameters. The parametric study has point out that the feeding pressure, the interaction of the shear layer with the cavity flow and the interaction of the land with the groove domain through square or rounded shape influence strongly the thermohydrodynamic flow in the groove. It was particularly shown that a right choice of groove / land joints profile allows – for an equal feeding pressure case – an increase in fresh fluid outcome in the film. Finally, the comparison with the experiment shows a good qualitative agreement between the streamlines calculated numerically and those visualized in experiments.