Étude des écoulements diphasiques liquide-gaz dans un contact rugueux pour des applications d'étanchéité métallique hautes performances

Two-phase flow liquid-gas in a rough contact for high performance metal seals applications.

• Auteur / Autrice : Christian Kankolongo
• Direction : Didier Lasseux, Marc Prat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 25/02/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

Mots clés

Mots clés libres

Étanchéité

Écoulements diphasiques

Contact rugueux

Seals

Two-phase flow

Rough contact

Résumé

Des assemblages mécaniques, utilisés par exemple dans le circuit primaire d'une centrale nucléaire, sont constitués généralement 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 (par exemple le procédé par tournage) qui offrent des interfaces multi-échelles, constituant ainsi un chemin de fuite, après la mise en contact par un effort de serrage. La caractérisation de l'étanchéité d'un assemblage, s'effectue à ce jour par un test en gaz (généralement de l'hélium) même si cet assemblage doit étancher du liquide. Il est ainsi difficile de justifier une étanchéité liquide par la seule connaissance de l'étanchéité en gaz. L'optimisation de l'étanchéité des joints passe par la maîtrise de la mécanique du contact et la compréhension des écoulements fluides ayant des effets particuliers à travers des interfaces multi-échelles (capillarité, écoulement en film liquide, etc.). L'enjeu de ces travaux de thèse est d'élaborer des modèles permettant d'étudier une fuite liquide en condition d'écoulement diphasique, principalement de l'imbibition, c'est-à-dire lorsque le contact mécanique initialement saturé d'air sec est envahi par un liquide mouillant. Dans cette modélisation, l'écoulement dans un chemin de fuite à l'interface d'un joint est modélisé comme dans un canal de section transversale triangulaire, en prenant en compte les effets de capillarité et des écoulements en film liquide se développant dans les angles vifs. Les résultats issus de ces modèles numériques sont ensuite comparés avec des mesures expérimentales. L'analyse montre que plus les écoulements sont importants dans les angles vifs, plus l'envahissement du liquide dans tout le canal est perturbé.

Mechanical assemblies, used for example in the primary circuit of a nuclear power plant, generally consist of two flanges made of hard metallic material and a gasket made of soft metallic material. The flanges have surface defects due to the manufacturing process (e.g., turning process) which create multi-scale interfaces, thus forming a leakage path after being brought into contact by a clamping force. Currently, the sealing performance of an assembly is characterized by a gas test (typically helium) even if the assembly is intended to seal liquid. Hence, it is challenging to justify liquid tightness solely based on gas tightness knowledge. Optimizing the sealing of gaskets involves mastering contact mechanics and understanding fluid flows that exhibit specific behaviors through multi-scale interfaces (capillarity, liquid film flow, ...). The objective of this thesis work is to establish numerical models to study liquid leakage under two-phase flow conditions, primarily imbibition, i.e., when the mechanically dry air-saturated contact is invaded by a wetting liquid. In this modeling, the flow in a gasket's leakage path is modeled as in a channel with a triangular cross-section, taking into account the effects of capillarity and liquid film flows developing in sharp corners. The results from these numerical models are then compared with experimental measurements. The analysis shows that the more significant the flows in the sharp corners, the more the liquid invasion throughout the channel is disturbed.