Numerical and experimental study of lubricant film behaviour subject to periodic loading
ÉTUDE NUMÉRIQUE ET EXPÉRIMENTALE DU COMPORTEMENT D'UN FILM LUBRIFIANT SOUMIS A UN CHARGEMENT PÉRIODIQUE
Résumé
Dynamic loading in hydrodynamic bearings and squeeze fluid film submits the film to periodic crash actions. These solicitations conditions the fluid film load carrying capacity and can lead to rupture thus creating severe operating conditions.
A thorough experimental and numerical study of the fluid film behaviour subjected to a periodic squeeze (crushing) action has thus to be carried out to control the performances of these devices. It is with this aim in view that three numerical codes based on JFO theory have been developed in this thesis. The equations have been solved using ADI and Finite Element Methods. For a film squeezed periodically at low frequencies between two conformal contacts, the hydrodynamic load carrying capacity numerical forecast of the three codes were very similar. In addition, digital visualizations of the breakdown in different types of contacts have shown the impact of the frequency of oscillations on the extent and duration of the film rupture.
The experimental study is conducted through a test rig designed and made. Two modes of film rupture were identified: rupture by separation of saturated gas and rupture due to separation by the introduction of ambient air. The display of each mode is determined by the frequency of oscillations. The visualisation of each mode is ruled by the oscillation frequency. The shape of the rupture zone due to the introduction of ambient air depends on the frequency, the height of the oil bath and geometry of the contact.
For non-conforming surfaces, the results of numerical models are in a very good agreement with experimental results. The discrepancies noticed when using conformal surfaces were due to the geometrical imperfections and the compliance of the test rig.
A thorough experimental and numerical study of the fluid film behaviour subjected to a periodic squeeze (crushing) action has thus to be carried out to control the performances of these devices. It is with this aim in view that three numerical codes based on JFO theory have been developed in this thesis. The equations have been solved using ADI and Finite Element Methods. For a film squeezed periodically at low frequencies between two conformal contacts, the hydrodynamic load carrying capacity numerical forecast of the three codes were very similar. In addition, digital visualizations of the breakdown in different types of contacts have shown the impact of the frequency of oscillations on the extent and duration of the film rupture.
The experimental study is conducted through a test rig designed and made. Two modes of film rupture were identified: rupture by separation of saturated gas and rupture due to separation by the introduction of ambient air. The display of each mode is determined by the frequency of oscillations. The visualisation of each mode is ruled by the oscillation frequency. The shape of the rupture zone due to the introduction of ambient air depends on the frequency, the height of the oil bath and geometry of the contact.
For non-conforming surfaces, the results of numerical models are in a very good agreement with experimental results. The discrepancies noticed when using conformal surfaces were due to the geometrical imperfections and the compliance of the test rig.
Le chargement dynamique des paliers hydrodynamiques et des amortisseurs à film fluide soumet le film lubrifiant à une action d'écrasement périodique. Cette sollicitation conditionne la portance du film lubrifiant et peut engendrer sa rupture, créant ainsi des conditions sévères de fonctionnement. L'étude approfondie, tant expérimentale que numérique du comportement du film soumis à une action d'écrasement périodique, s'avère donc indispensable pour pouvoir maîtriser les performances de ces dispositifs.
Pour ce faire, trois codes de calcul numérique sont développés dans le cadre de cette thèse. Ces codes sont basés sur la théorie de JFO. Les équations établies sont discrétisées en différences finies et en éléments finis. Pour un film d'huile écrasé périodiquement, à faibles fréquences, entre deux surfaces conformes, les prédictions numériques de ces trois codes sont très proches. Par ailleurs, les visualisations numériques de la rupture dans les différents types de contacts ont montré l'impact de la fréquence des oscillations sur l'étendue et la durée de la rupture de film.
L'étude expérimentale est conduite via un banc d'essai conçu puis réalisé. Deux modes de rupture de film sont identifiés : la rupture par séparation des gaz saturés et la rupture par séparation due à l'introduction de l'air ambiant. La visualisation de chaque mode est conditionnée par la fréquence des oscillations. La forme de la zone de rupture due à l'introduction de l'air ambiant dépend de la fréquence, de la hauteur du bain d'huile et de la géométrie du contact.
Pour les surfaces non conformes, les résultats des modèles numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les différences constatées dans le cas des surfaces conformes sont dues aux imperfections géométriques et à la souplesse des structures qui composent le dispositif expérimental.
Pour ce faire, trois codes de calcul numérique sont développés dans le cadre de cette thèse. Ces codes sont basés sur la théorie de JFO. Les équations établies sont discrétisées en différences finies et en éléments finis. Pour un film d'huile écrasé périodiquement, à faibles fréquences, entre deux surfaces conformes, les prédictions numériques de ces trois codes sont très proches. Par ailleurs, les visualisations numériques de la rupture dans les différents types de contacts ont montré l'impact de la fréquence des oscillations sur l'étendue et la durée de la rupture de film.
L'étude expérimentale est conduite via un banc d'essai conçu puis réalisé. Deux modes de rupture de film sont identifiés : la rupture par séparation des gaz saturés et la rupture par séparation due à l'introduction de l'air ambiant. La visualisation de chaque mode est conditionnée par la fréquence des oscillations. La forme de la zone de rupture due à l'introduction de l'air ambiant dépend de la fréquence, de la hauteur du bain d'huile et de la géométrie du contact.
Pour les surfaces non conformes, les résultats des modèles numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les différences constatées dans le cas des surfaces conformes sont dues aux imperfections géométriques et à la souplesse des structures qui composent le dispositif expérimental.
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