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Amélioration du design et prédiction des vitesses moyennes de sortie de buses à jet cohérent pour les procédés de rectification à l'aide de la CFD

St-Pierre, Benoît (2008). Amélioration du design et prédiction des vitesses moyennes de sortie de buses à jet cohérent pour les procédés de rectification à l'aide de la CFD. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Afin de produire des moteurs plus efficaces, les fabricants de turbomachines ajoutent des étages de compresseur à leurs nouveaux moteurs et les départements de fabrication de ceux-ci doivent augmenter leur producfivité tout en diminuant leurs coûts. L'ajout de ces étages de compresseur cause l'augmentation des pressions et des températures de ces composantes moteurs. Pour contrer ce problème, les départements d'ingénierie utilisent alors des alliages à haute résistance thennique pour leur fabrication, soit des alliages de nickel. Toutefois, ces alliages sont très difficiles à mettre en fonne par des procédés d'usinage conventionnels. Ainsi, afin d'usiner efficacement ces alliages, les procédés de recfification tel que le Continuous Dress Creep Feed (CDCF), ont toujours été le choix logique. Cependant, la productivité de ces procédés est principalement limitée par les marques de brûlure qui apparaissent sur les surfaces usinées lors de coupes trop agressives.

Une solution simple à ce problème consiste à améliorer la concepfion des buses pour liquide de refroidissement (coolant) existantes afin qu'elles produisent un jet plus cohérent. Ce projet de recherche propose donc une méthode qui pennct de prédire la cohérence du jet de fluide produit par une buse. De plus, il pennet d'opfimiser le design de la buse afin qu'elle produise un jet plus cohérent et tout cela à l'aide d'un logiciel commercial de CFD, c'est-àdire FLUENT 6.3. Ainsi, la méthode proposée se base sur l'évolution du profil de vitesse fourni par FLUENT pour une buse de type Webster et sur les mesures expérimentales de cohérence du jet afin d'élaborer un modèle semi-empirique qui pennet de faire le lien entre ces deux résultats. En effet, pour une buse donnée, il est possible de prédire précisément l'ouverture physique du jet que celle-ci produira en ufilisant l'ouverture du profil de vitesse fourni par FLUENT et le modèle semi-empirique développé dans cette recherche. Ensuite, à l'aide de FLUENT, il a été possible de simuler l'écoulement de fluide à l'intérieur d'une buse et d'identifier les zones de cavitation qui s'y trouvent afin de les diminuer en modifiant la géométrie inténeure. Ainsi, ce nouveau concept de buse pennet de produire un jet plus cohérent que celui produit par une buse de type Webster. D'ailleurs, ceci a été vérifié à l'aide du modèle semi-empirique en plus d'être validée lors d'essais expérimentaux.

Des essais de coupes ont finalement été réalisés afin de comparer la buse « Webster » au nouveau concept de buse proposée. Les résultats obtenus démontrent que le nouveau concept permet d'augmenter la durée de vie de la meule de plus de 15% tout en diminuant légèrement l'énergie nécessaire à la coupe et cela en conservant un fini de surface similaire. Finalement, une étude comparafive entre FLUENT et l'équafion de Bemoulli utilisée pour la prédiction de la vitesse moyenne à la sortie d'une buse est réalisée. Cette comparaison a permis de vérifier que l'omission de la turbulence et de la cavitation présentes dans l'écoulement influence grandement la vitesse moyenne à la sortie de la buse.

Titre traduit

Improvement of the design and prediction of the mean exit velocities of coherent coolant nozzles for grinding process using CFD

Résumé traduit

In order to produce more efficient jet engines, manufacturers add compressor stages to their new engines and their manufacturing departments must increase their productivity while reducing their costs of operation. The addition of these compressor stages causes an increase in the pressures and temperatures for those components. To address this issue, the engineering departments use highly thermal resistant alloys for their manufacturing, mostly nickel alloys. However, these alloys are very difficult to machine by conventional manufacturing processes. Thus, in order to efficiently machine these alloys, grinding processes, like Continuons Dress Creep Feed (CDCF), are always the best choices. However, the productivity of these processes is mainly limited by the burning marks that may appear on the machined surfaces if too aggressive cutting parameters are selected.

A simple solution to this issue consists in improving the design of the existing coherent coolant nozzle so that they can produce an even more coherent coolant jet. Therefore, this research project proposes a method which makes it possible to predict the jet coherency of a given nozzle while also giving the possibility to optimize its design in order to improve its jet coherency and all that while using a commercial CFD software, i.e. FLUENT 6.3. Thus, the proposed method is based on the evolution of the velocity profile provided by FLUENT for a given Webster type nozzle and on the experimental measurement of jet coherency of this one in order to establish a semi-empirical model that links these two results. So, for a given nozzle it is possible to precisely predict the physical opening of the coolant jet that this one will produce by using the opening of the velocity profile provided by FLUENT and the semi-empirical model developed in this research. The use of FLUENT fonctions also made it possible to simulate the fluid flow inside the coolant nozzle and to identify the cavitation zones within it in order to decrease its importance by modifying the inside profile geometry. This new design of coolant nozzle is more able to produce a coherent jet as compared to the Webster type design. Moreover, this was verified using the semi-empirical model developed in this research and then validated through experimental tests.

Finally, cutting tests were performed to compare Webster type nozzle against the newly proposed coolant nozzle design. The results obtained show that the new concept of coolant nozzle gives an improvement in wheel life of more than 15% while slightly decreasing the power required for a cut and that's while preserving a similar surface finish. Finally, a comparative study between FLUENT and Bemoulli equations for the prediction of the mean velocity at the nozzle exit is carried out. This comparison shows that neglecting the effect of turbulence and cavitations on the coolant flow greatly influences the mean velocity at the nozzle exit.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr. : f. [192]-196.
Mots-clés libres: Buses (Tuyaux) Turbomachines Compresseurs. 6.3, CDFC, CFD, Cohérence, Design, Fluent, Fluide, Jet, Vitesse, Webster
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dufresne, Louis
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Chatelain, Jean-François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 21 mars 2011 17:44
Dernière modification: 21 déc. 2016 00:18
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/622

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