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

Resumen

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.