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Theses Year : 2022

Development of a predictive model for the process of water cavitation peening

Développement d’un modèle prédictif du procédé de mise en compression par jet d’eau cavitant (Water Cavitation Peening)

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Abstract

When manufacturing parts by conventional machining, residual tensile stresses can be induced in the material. These stresses reduce the durability of the part (stress corrosion, crack propagation...). Water Cavitation Peening (WCP) is an innovative technology that introduces a residual compressive stress to the surface of the parts, thus increasing their life. This new method avoids surface contamination during the treatment process and allows the treatment of parts with complex geometries. However, the prediction of the physical mechanisms involved in this process remains a challenge. An important step in developing a predictive model of the submerged water cavitating jet is the morphological comparison between CFD simulation and experimental data. Due to the complexity of the physics to be modeled and the difficulty of obtaining quality quantitative experimental data. In this thesis, a numerical simulation of a water cavitating jet is performed with ANSYS Fluent. The URANS RNG k-epsilon turbulence model modified by the FBDCM (Filter-Based Density Correct Model) method is used to simulate the turbulent flow. The Mixture model is used to simulate the two-phase flow. The cavitation model ZGB (Zwart-Gerber-Belamri) considering the effect of local shear stress is also applied to simulate the mass transfer between two phases. The results of the numerical simulation are compared to experimental data obtained from a dedicated bench. In parallel, an exploratory experimental study was also conducted on a single cavitation bubble to verify the ability of a PVDF sensor to qualitatively measure the pressure wave generated during the collapse of the bubble. An experimental bench using a laser focusing technique to generate a single bubble is set up. The dynamics of the growth and collapse of spherical bubbles and the pressure wave measured by PVDF were correlated to the analytical model of Gilmore. The feasibility of measuring the pressure wave quantitatively by PVDF sensor was validated.
Lors de la fabrication de pièces par usinage classique, des contraintes résiduelles de traction peuvent être induites au matériau. Ces contraintes réduisent la durée de la pièce (corrosion sous contrainte, propagation de fissures...). La mise en compression par jet d'eau cavitant (Water Cavitation Peening - WCP) est une technologie innovante qui permet d'introduire une contrainte résiduelle de compression à la surface des pièces, et ainsi augmenter leur durée de vie. Cette nouvelle méthode évite la contamination de la surface lors du processus de traitement et permet de traiter les pièces aux géométries complexes. Cependant, la prédiction des mécanismes physiques en jeu lors de ce procédé reste un défi. Une étape importante pour l'élaboration d'un modèle prédictif du jet d'eau cavitant submergé est la comparaison morphologique entre la simulation CFD et les données expérimentales. Du fait de la complexité de la physique à modéliser et de la difficulté d'obtenir des données expérimentales quantitatives de qualité. Dans ce travail de thèse, une simulation numérique d'un jet d'eau cavitant est réalisée avec ANSYS Fluent. Le modèle de turbulence URANS RNG k-epsilon modifié par la méthode FBDCM (Filter-Based Density Correct Model) est utilisée pour simuler l'écoulement turbulent. Le modèle Mixture est employée pour simuler l'écoulement diphasique. Le modèle de cavitation ZGB (Zwart-Gerber-Belamri) considérant l'effet de la contrainte de cisaillement locale est aussi appliqué pour simuler le transfert de masse entre deux phases. Les résultats de la simulation numérique sont comparés à des données expérimentales obtenues à partir d'un banc dédié à l'étude. Parallèlement, une étude expérimentale exploratoire a aussi été conduite sur une bulle unique de cavitation afin de vérifier la capacité d'un capteur PVDF à mesurer qualitativement l'onde de pression générée lors de l'effondrement de la bulle. Un banc expérimental utilisant une technique de focalisation laser pour générer d'une bulle individuelle est mis en place. La dynamique de la croissance et de l’effondrement des bulles sphériques et l'onde de pression mesuré par PVDF ont été corrélées au modèle analytique de Gilmore. La faisabilité de la mesure quantitativement des ondes de pression par capteur PVDF a été validée.
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Dates and versions

tel-03860817 , version 1 (18-11-2022)

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  • HAL Id : tel-03860817 , version 1

Cite

Zhaofeng Han. Développement d’un modèle prédictif du procédé de mise en compression par jet d’eau cavitant (Water Cavitation Peening). Mécanique [physics.med-ph]. Université de Lyon, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LYSEI068⟩. ⟨tel-03860817⟩
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