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Mousses Saturées à Pores Ouverts pour une Tribologie Innovante dans les Turbomachines – SOFITT

Mousses Saturées à Pores Ouverts pour une Tribologie Innovante dans les Turbomachines

Le projet porte sur une activité émergente d'inspiration biomimétique, représentée par des films fluides auto-entretenus générés dans des milieux poreux compressibles et saturés. Il vise à concevoir de nouvelles solutions fiables, performantes et écologiques pour les systèmes de guidage et de support des turbomachines.

Trouver des solutions techniques innovantes et performantes qui rompent avec les pratiques actuelles

La performance de nombreuses applications industrielles repose en grande partie sur la qualité et la fiabilité des systèmes de guidage et de support (vitesses de rotation élevées, faible couple de frottement, capacité d'amortissement, etc.). Dans l'équipe TRIBOLUB (Tribologie des interfaces lubrifiées), l'un des principaux objectifs est de consolider la compréhension des phénomènes physiques qui conditionnent le comportement des éléments de guidage fluides. <br />Ce projet est né de la nécessité de trouver des solutions techniques innovantes qui rompent avec les pratiques actuelles et fournissent des systèmes de support performants en termes de capacité de charge et d'amortissement. Il vise à développer une activité émergente de l'équipe TRIBOLUB qui porte sur un nouveau mécanisme de lubrification d'inspiration biomimétique. Il s'agit de films fluides auto-entretenus générés au sein de couches poreuses compressibles (CPL) imbibées de liquides, et soumises à des forces externes normales ou tangentielles. Il faut souligner que, même si le sujet peut être inclus dans la grande famille de la mécanique des écoulements de fluides à travers un milieu poreux, l'originalité vient de la création de rigidité et d'amortissement en modifiant dynamiquement la géométrie d'une couche poreuse imbibée.

Afin d'atteindre les objectifs proposés, le projet est divisé en trois WorkPackages scientifiques menés par trois doctorants avec trois aspects connectés : comprendre les propriétés mécaniques des structures complexes poreuses, modéliser l'interaction fluide-structure, et enfin appliquer les résultats pour concevoir et tester de nouveaux éléments de support. Deux WorkPackages supplémentaires sont consacrés à la gestion et respectivement à la capitalisation et à la diffusion des résultats du projet.
Le WorkPackage 1 (Gestion et coordination du projet) s'étend sur les 57 mois du projet et jusqu'à ce que tout le travail soit terminé. Le responsable sera chargé de coordonner le projet. Il devra :
- organiser et animer les réunions et le suivi des différentes études (une réunion par trimestre)
- collecter et diffuser les rapports d'avancement dans le cadre du projet
- fournir aux bailleurs de fonds les rapports scientifiques, techniques et financiers qui seront demandés.
L'objectif principal du WorkPackage 2 (Comprendre les propriétés mécaniques des structures complexes poreuses) est de comprendre le comportement mécanique des structures complexes poreuses, lié aux propriétés microstructurales du matériau solide et aux interactions avec le fluide. Le travail sera mené en deux étapes. Tout d'abord, le matériau sera étudié en 3D en utilisant la microtomographie à rayons X et la corrélation numérique volumique. Deuxièmement, un dispositif de chargement dynamique original sera conçu pour appliquer des conditions de chargement similaires à celles appliquées dans les systèmes à paliers réels.
Le troisième WorkPackage (Modélisation numérique de l'interaction fluide/structure dans la couche poreuse) est consacré au développement de deux modèles prédictifs pour étudier la réponse aux contraintes externes des matériaux compressibles imbibés de liquide, notamment en estimant leurs capacités de charge et d'amortissement. Tout d'abord, à l'échelle microscopique, le développement d'un modèle d'écoulement permettra de simuler l'écoulement à l'intérieur de la structure poreuse. Deuxièmement, à plus grande échelle, un modèle de comportement mécanique sera développé pour prédire la réponse à l'échelle macroscopique, en particulier les déformations.
Le quatrième WorkPackage (Conception et test de nouveaux éléments de support) vise à concevoir deux éléments lubrifiés : une butée et un amortisseur fluide et il est divisé en trois tâches. La première tâche propose des études expérimentales sur les systèmes de guidage supportant une charge axiale statique. La deuxième tâche traite encore des aspects expérimentaux testant la capacité d'amortissement des solutions XPHD en présence d'un balourd. La troisième tâche concerne le développement de modèles de simulation numérique à l'échelle des composants XPHD.
Le cinquième WorkPackage concerne principalement la publication d'articles scientifiques et la participation à des conférences internationales..

Les principaux résultats des 18 premiers mois du projet sont liés aux WP 2 et 3 :
Matériaux candidats : Deux matériaux composites principaux sont au centre de cette étude, les mousses élastomères et métalliques imbibées de fluide et de polymère respectivement. Différents échantillons de mousse ont été rassemblés et testés. Il a été conclu que les mousses de densité plus élevée avec un PPI élevé offrent des performances supérieures. Des tests d'imbibition ont montrés des taux d'imbibition supérieurs à 90 %, éliminant le risque de mousse non saturée.
Dispositifs d'essai et procédures expérimentales : trois dispositifs ont été mis au point, pour les essais in situ aux rayons X des mousses polymères imbibées, pour la caractérisation dynamique des composites métal-mousse polymère ainsi qu'un système de palier réel.
Détermination des propriétés dynamiques globales de la matrice en mousse métallique, du polymère et de leur combinaison : La fonction de transfert des vibrations de la base à la masse est utilisée pour quantifier la capacité d'amortissement des matériaux utilisés. Différentes fréquences sont obtenues en utilisant quatre masses différentes (200 à 500 grammes). Un changement significatif a été observé pour le facteur de perte alors que l'augmentation du module dynamique est moins importante. Les mousses NiCr et Cu ont un PPI plus élevé que la mousse d'aluminium et par conséquent une plus grande surface, contribuant à une augmentation de l'énergie perdue par les mécanismes d'amortissement interfacial. La taille plus petite des pores contraint également davantage le polymère à l'intérieur de la structure, ce qui permet d'obtenir de meilleures propriétés élastiques.
Identifier la morphologie et les mécanismes de déformation des mousses de PU en utilisant des outils d'analyse d'image : A partir de la tomographie à rayons X, nous obtenons directement une image 3D à échelle de gris, donc la méthode choisie à cette fin est celle de l'analyse et du traitement d'images. Le logiciel ImageJ a été utilisé pour la mise en œuvre des opérations morphologiques mathématiques. Nous avons étendu et optimisé l'utilisation de techniques spécifiques pour créer de nouvelles méthodes permettant d'identifier et de tracer précisément l'évolution au cours des différentes étapes de compression, ce qui permet d'identifier la déformation locale de chaque cellule.
Dans le cadre du WP3, nous avons créé une chaîne de «production« numérique, partant des images obtenues par tomographie à rayons X, passant par la génération d'une discrétisation numérique du milieu et finissant par des simulations CFD nous permettant de déterminer les paramètres essentiels pour simuler l'écoulement (perméabilité, tortuosité, coefficient de Forchheimmer) De plus, nous sommes capables de générer numériquement des milieux poreux à partir de paramètres stochastiques en utilisant des algorithmes de type Voronoi

Le projet se situe à l'interface de plusieurs domaines scientifiques : mécanique des solides, mécanique des fluides et génie thermique. Il fait appel à des compétences pluridisciplinaires en mécanique expérimentale et en analyse numérique. Chaque membre de l'équipe du projet a des bases solides dans ses domaines d'expertise mais ce travail commun leur apportera certainement de nouvelles compétences suivant les approches complémentaires prévues dans la proposition. Les connaissances acquises dans ce projet peuvent non seulement être utilisées pour trouver des solutions techniques innovantes dans le domaine des turbomachines mais, à plus long terme, peuvent également être appliquées à des études dédiées aux tissus biologiques ou aux articulations humaines où le comportement des matériaux poreux imbibés (cartilage humain) est également un point clé.
Au niveau de l'Institut Pprime, le projet réunit trois équipes différentes, ce qui contribuera à renforcer la cohésion de l'Institut.

Comme nous l'avons déjà dit, l'objectif principal de cette proposition est de trouver des solutions techniques innovantes permettant d'obtenir des systèmes de guidage performants en termes de capacités de friction, de charge et d'amortissement. Il s'agit d'une préoccupation permanente de l'équipe TRIBOLUB et la réalisation de cet objectif pourrait avoir un impact très important dans les domaines du transport et de la production d'énergie. En effet, une étude précédente estime que 23% de la consommation totale d'énergie dans le monde provient des contacts tribologiques. Sur ce total, 20 % sont utilisés pour surmonter les frottements et 3 % sont utilisés pour réusiner les pièces usées et les équipements de rechange en raison de l'usure et des défaillances liées à l'usure. Les plus grandes économies d'énergie à court terme sont envisagées dans les transports (25 %) et dans la production d'électricité (20 %), les principales applications industrielles visées par le projet présenté.

A.E. Ennazii, A. Beaudoin, A. Fatu, P. Doumalin, Y. Henry, J. Bouyer, E. Lacaj and P. Jolly, Toolchain from the creation of the mesh to the CFD simulations, InterPore2021, 13th Annual Meeting, 31 May – 4 june 2021

A.E. Ennazii, A. Beaudoin, A. Fatu, P. Doumalin, Y. Henry, J. Bouyer, E. Lacaj and P. Jolly, Toolchain from the creation of the mesh to the CFD simulations, JMECA2021, poster

La présente proposition porte sur une activité émergente concernant un nouveau mécanisme de lubrification d'inspiration biomimétique, la lubrification eX-Poro-HydroDynamic (XPHD). Il est constitué de films fluides auto-entretenus générés à l'intérieur de couches poreuses compressibles imbibées de liquides et soumises à des forces externes normales ou tangentielles. L'objectif est de trouver des solutions techniques innovantes en rupture avec les pratiques actuelles, proposant des systèmes de guidage et de support pour turbomachines performants en termes de capacité de charge, d'amortissement, de fiabilité, d'efficacité de frottement et d'impact. Le projet vise à démontrer les applications industrielles et à développer des outils numériques capables de prédire le comportement de ces nouvelles technologies.
L'objectif scientifique porte sur des défis résultant du couplage de multiples mécanismes, étant intrinsèquement inter et pluridisciplinaire. Le projet est à l'interface de plusieurs domaines scientifiques : mécanique des solides, mécanique des fluides et génie thermique. Il fait appel à des compétences pluridisciplinaires en mécanique expérimentale et en analyse numérique. Les connaissances acquises dans le cadre de ce projet permettent non seulement de trouver des solutions techniques innovantes dans le domaine des turbomachines mais, à plus long terme, elles peuvent également être appliquées à des études dédiées aux tissus biologiques ou aux articulations humaines où le comportement des matériaux poreux imbibés (cartilage humain) est également un point clé.
Pour atteindre son objectif, le projet s'appuie sur l'expertise scientifique et expérimentale de trois équipes de recherche dans les domaines de la tribologie, de la photomécanique et de la modélisation de l'interaction fluide-structure. Il est organisé en trois WorkPackages scientifiques.
L'objectif principal du premier WorkPackage scientifique est de comprendre le comportement mécanique des structures complexes poreuses (combinaison d'une structure solide déformable à porosité élevée, imbibée de fluide), lié aux propriétés micro-structurelles du matériau solide et aux interactions avec le fluide. Les travaux seront menés en trois étapes destinées à découpler les effets afin de faciliter la compréhension des phénomènes physiques : étude 3D quasi statique, étude dynamique sur échantillon 2D simplifié et caractérisation dynamique globale en termes de rigidité et d'amortissement.
Les données expérimentales acquises serviront de paramètres d'entrée pour le deuxième WorkPackage scientifique dédié au développement de deux modèles numériques permettant l'étude de la réponse aux contraintes externes des matériaux poreux imbibés de liquide, en particulier en estimant leur réponse élastique et leur capacité d'amortissement. Une première tâche sera consacrée à la simulation à l'échelle microscopique de l'écoulement à travers une structure poreuse compressible. Une deuxième tâche propose, à plus grande échelle, le développement d'un modèle de comportement mécanique pour prédire la réponse à l'échelle macroscopique, en particulier l'interaction fluide/structure.
Le troisième WorkPackage scientifique exploitera les résultats expérimentaux et numériques obtenus dans les deux premiers WorkPackages pour concevoir deux éléments lubrifiés : une butée et un amortisseur. Le travail sera divisé en trois tâches. Une première tâche propose des études expérimentales sur des systèmes de guidage supportant une charge axiale statique (butées). Une deuxième tâche consiste à tester expérimentalement la capacité d'amortissement des solutions XPHD en présence d'un balourd. La troisième tâche concerne le développement de modèles de simulation numérique à l'échelle des composants.
Deux WorkPackages supplémentaires seront consacrés respectivement à la gestion et à la capitalisation et à la diffusion des résultats du projet.

Coordination du projet

Aurelian Fatu (Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Pprime - HYDEE Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique
Pprime - PEM Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique
Pprime - TRIBOLUB Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique

Aide de l'ANR 446 472 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2020 - 48 Mois

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