Modélisation des textures de surface profondes basée sur la résolution des équations de Navier–Stokes par éléments finis et l’analyse de leurs effets sur les écoulements avec cavitationen lubrification hydrodynamique

Aboussafy, Charles (2026). Modélisation des textures de surface profondes basée sur la résolution des équations de Navier–Stokes par éléments finis et l’analyse de leurs effets sur les écoulements avec cavitationen lubrification hydrodynamique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude présente une analyse numérique des performances hydrodynamiques de surfaces texturées en lubrification. Les simulations reposent sur un modèle par éléments finis résolvant directement les équations de Navier–Stokes, permettant de dépasser les limites des approches classiques basées sur l’équation de Reynolds.

Dans un premier temps, l’influence de la géométrie des textures est étudiée en l’absence de cavitation afin d’isoler les effets purement géométriques. Des textures rectangulaires et semi-elliptiques sont comparées. Les résultats montrent que les textures semi-elliptiques génèrent une portance plus élevée et un écoulement plus stable que les textures rectangulaires, bien qu’elles produisent une traînée plus importante. L’étude examine également l’influence de défauts de fabrication produisant des parois inclinées dans les cavités rectangulaires, montrant que les cavités profondes peuvent en bénéficier, alors que les textures peu profondes voient leur capacité de charge diminuer et leur friction augmenter.

Dans un second temps, un modèle de cavitation basé sur une équation d’état barotrope est introduit afin de représenter les variations de pression et de densité dans les régions de cavitation. Le modèle est validé par comparaison avec des résultats expérimentaux et numériques de la littérature et démontre une bonne capacité à prédire les distributions de pression et les zones de cavitation dans les paliers hydrodynamiques.

Enfin, l’influence combinée de la géométrie des textures et de la cavitation est étudiée dans des surfaces texturées. Les résultats montrent que l’augmentation de la profondeur des textures entraîne une diminution des forces de portance et de traînée, tandis que des vitesses de glissement plus élevées les augmentent. Les textures circulaires génèrent systématiquement des forces de portance et de traînée plus élevées que les profils rectangulaires. En ce qui concerne le comportement frictionnel, le coefficient de frottement augmente avec la profondeur des textures et la vitesse de glissement. Les textures circulaires présentent systématiquement des coefficients de frottement plus faibles que les textures rectangulaires.

Globalement, ces travaux mettent en évidence l’importance des effets d’inertie, de la géométrie des textures et de la cavitation dans les régimes de lubrification hydrodynamique et fournissent des orientations pour la conception de surfaces texturées optimisant simultanément la réduction du frottement et la capacité de charge.

Titre traduit

Modeling of deep surface textures based on the finite element solution of the Navier–Stokes equations and the analysis of their effects on cavitating flows in hydrodynamic lubrication

Résumé traduit

This study presents a numerical analysis of the hydrodynamic performance of textured surfaces in lubrication. The simulations rely on a finite element model directly solving the Navier– Stokes equations, making it possible to overcome the limitations of classical approaches based on the Reynolds equation.

First, the influence of texture geometry is studied in the absence of cavitation in order to isolate purely geometric effects. Rectangular and semi-elliptical textures are compared. The results show that semi-elliptical textures generate higher lift and a more stable flow than rectangular textures, although they produce greater drag. The study also examines the influence of manufacturing defects producing inclined sidewalls in rectangular cavities, showing that deep cavities can benefit from them, whereas shallow textures experience a reduction in load-carrying capacity and an increase in friction.

Second, a cavitation model based on a barotropic equation of state is introduced in order to represent pressure and density variations in cavitation regions. The model is validated by comparison with experimental and numerical results from the literature and demonstrates a good ability to predict pressure distributions and cavitation zones in hydrodynamic bearings.

Finally, the combined influence of texture geometry and cavitation is studied in textured surfaces. The results show that increasing the texture depth leads to a reduction in lift and drag forces, while higher sliding velocities increase them. Circular textures systematically generate higher lift and drag forces than rectangular profiles. Regarding frictional behavior, the friction coefficient increases with texture depth and sliding velocity. Circular textures systematically exhibit lower friction coefficients than rectangular textures.

Overall, these works highlight the importance of inertia effects, texture geometry, and cavitation in hydrodynamic lubrication regimes and provide guidance for the design of textured surfaces that simultaneously optimize friction reduction and load-carrying capacity.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 151-158).
Mots-clés libres:	lubrification par film fluide, lubrification hydrodynamique, cavitation, surfaces texturées, tribologie, paliers hydrodynamiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Guilbault, Raynald
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Brunetière, Noël
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	29 mai 2026 13:46
Dernière modification:	29 mai 2026 13:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3921

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