Development of a numerical fluid-structure interaction methodology to model transient leakage phenomena

Abstract

In applications that require the storage or transport of a fluid, ensuring leaktightness is essential. The emergence of leaks can have serious consequences, both for the system and its environment. There exist critical applications which involve high pressures and temperatures, which do not permit the use of polymeric seals that are common in less demanding applications. In these critical cases, it is necessary to design seals based on metal-to-metal contact, where the geometry of the contact and the surface finish have a significant influence on leak tightness. This dissertation presents the development of a new numerical methodology to simulate transient leak initiation and development phenomena, in systems based on metal-to-metal contact. As a result, the location and flow rate of leaks are identified, which are conditioned by both the structural part of the system and the contained fluid. For this reason, the proposed methodology is based on multiphysics models that consider fluid-structure interaction (FSI). To determine the progression of leakage, the proposed methodology requires a criterion that must be experimentally characterised. To this end, a procedure is proposed that determines permeability as a function of contact pressures. This characterisation was performed on a system that presents uniform contact pressures, revealing that it is possible to define a leakage criterion independent of the contained fluid and the sealing force. Finally, the developed numerical methodology was validated using a second system whose contact pressures were not uniform at closure. The results of this numerical model revealed leakage location, threshold pressure and flow rate in accordance with that observed experimentally.

Estankotasuna bermatzea ezinbesteko betekizuna da fluido bat biltegiratzea edo garraiatzea eskatzen duten aplikazioetan. Ihesak agertzeak ondorio larriak ekar ditzake, bai sistema horretan, bai haren inguruan. Badira presio eta tenperatura altuak dakartzaten aplikazio kritikoak, hain zorrotzak ez diren aplikazioetan ohikoak diren juntura polimerikoak erabiltzea ahalbidetzen ez dutenak. Kasu kritiko horietan, ezinbestekoa da metal-metal kontaktuan oinarritutako itxierak diseinatzea. Horietan, kontaktuaren geometriak eta gainazaleko akaberak nabarmen baldintzatzen dute estankotasuna. Tesi honetan zenbakizko metodologia berri baten garapena aurkezten da, metalmetal kontaktuan oinarritutako sistemetan ihesen hasiera eta garapeneko fenomeno iragankorrak simulatzeko. Emaitza gisa, ihesen kokapena eta emaria identifikatzen dira, sistemaren egiturak eta barneko fluidoak baldintzatzen dituztenak. Horregatik, proposatutako metodologia fluido-egitura interakzioa (FSI – Fluid Structure Interaction) jasotzen duten eredu multifisikoetan oinarritzen da. Ihesaren aurrerapena zehazteko, proposatutako metodologiak esperimentalki zehaztu beharreko irizpide bat behar du. Horretarako, iragazkortasuna kontaktu-presioen arabera zehazten duen prozedura bat proposatzen da. Karakterizazio hori kontaktu-presio uniformeak dituen sistema baten gainean egin da, eta ondorioztatu da posible dela barneko fluidoarekiko eta itxiera bermatzen duen indarrarekiko independentea den ihesirizpide bat definitzea. Azkenik, garatutako zenbakizko metodologia bigarren sistema baten gainean baliozkotu da; bigarren sistema horrek, berriz, itxierako kontaktu-presio ez-uniformeak ditu. Eredu numeriko horren emaitzek esperimentalki ikusitakoarekin bat datozen ihesaren kokapena, atari-presioa eta emaria erakutsi dituzte.

Garantizar la estanqueidad es un requerimiento indispensable en aplicaciones que exigen el almacenamiento o transporte de un fluido. La aparición de fugas puede suponer graves consecuencias, tanto en dicho sistema como en su entorno. Existen aplicaciones críticas que implican altas presiones y temperaturas, las cuales no permiten el uso de juntas poliméricas que son habituales en aplicaciones menos exigentes. En estos casos es indispensable el diseño de cierres basados en contacto metal-metal, en los que la geometría del contacto y el acabado superficial condicionan significativamente la estanqueidad. En esta tesis se presenta el desarrollo de una nueva metodología numérica para simular fenómenos transitorios de inicio y desarrollo de fugas, en sistemas basados en contacto metal-metal. Como resultado se identifica la localización y el caudal de las fugas, que están condicionadas tanto por la parte estructural del sistema como por el fluido contenido. Por ello, la metodología propuesta se basa en modelos multifísicos que contemplan la interacción fluido-estructura (FSI – Fluid Structure Interaction). Para determinar el avance de la fuga, la metodología propuesta requiere de un criterio que debe ser caracterizado experimentalmente. Para ello, se propone un procedimiento que determina la permeabilidad en función de las presiones de contacto. Esta caracterización se ha realizado sobre un sistema que presenta presiones de contacto uniformes, revelando que es posible definir un criterio de fuga independiente del fluido contenido y la fuerza que garantiza el cierre. Finalmente, se ha validado la metodología numérica desarrollada aplicándola sobre un segundo sistema cuyas presiones de contacto no son uniformes en el cierre. Los resultados de este modelo numérico han mostrado una localización, presión umbral y caudal de fuga acordes con lo observado experimentalmente.