Deux articles scientifiques parus dans le *Journal of Fluids and Structures* et présentant les travaux récemment publiés
Cet article a été initialement publié le 7 septembre 2022.
Peu d'entreprises spécialisées dans la fabrication de vannes dans le monde peuvent se targuer d'avoir publié des articles évalués par des pairs dans des revues scientifiques.
À la suite d'une étude menée conjointement par le secteur privé et le monde universitaire, Master Flo peut désormais affirmer qu'il fait partie de ce groupe.
Cette étude, menée à la suite d'effondrements inexpliqués des dispositifs de réglage d'étranglement dans des vannes de régulation utilisées dans des applications offshore impliquant des débits de gaz élevés, a permis de mettre en évidence des résultats prometteurs.
« Ces résultats ont mis en évidence des phénomènes d'écoulement dont nous n'avions pas connaissance auparavant et constituent une avancée pour les connaissances dans ce domaine, ainsi que pour la science en général », déclare Frank Koeck, directeur général de Master Flo USA, l'un des auteurs de l'étude.
Pour Koeck, le problème étudié dans le cadre de cette étude, et les étudiants qui en sont à l'origine, le laissent perplexe depuis qu'il l'a découvert pour la première fois.
« J’ai constaté ce phénomène au début de ma carrière, il y a 25 ans : des défaillances inexplicables de nature similaire, présentant une géométrie similaire, des vannes de taille similaire et des débits similaires », note M. Koeck. « Il y a 25 ans, les moyens d’analyse (du problème) étaient limités. Nous ne pouvions pas aller plus loin : nous ne pouvions effectuer que des mesures empiriques et émettre des hypothèses sur les causes à partir des mesures réelles recueillies. »
Mais les choses ont vraiment beaucoup évolué au cours des deux dernières décennies et demie. La puissance de calcul, en particulier.
L'analyse menée tout au long de l'étude a été réalisée à l'aide du cluster de supercalcul de l'université de Houston. Pour l'un des articles, qui portait sur l'écoulement incompressible à travers une vanne d'étranglement, chaque simulation exécutée sur le cluster a duré sept heures. Si cette simulation avait été effectuée sur un processeur autonome, elle aurait pris 49 jours.
Pour le deuxième article, consacré à une étude sur l'écoulement compressible à travers un étrangleur, les simulations se sont avérées bien plus exigeantes.
Chacune d'entre elles a nécessité plus de 50 jours sur le cluster, ce qui équivaut à 8 554 jours de temps CPU unique.
Une fois l'analyse terminée, M. Koeck explique qu'il était temps pour eux de valider les résultats.
« Nous avons conçu et construit une maquette en acrylique à taille réelle et observé l’écoulement à l’aide de la vélocimétrie par images de particules (PIV) », explique-t-il. « Cela consistait à “ensemencer” l’écoulement avec des particules quasi-apesantes qui restaient en suspension tout en s’écoulant. Un laser éclairait ces particules à mesure qu’elles traversaient la maquette, et une caméra haute vitesse capturait des images à une cadence de 400 images par seconde. »
Trever Gabel, coauteur de l'étude, met en place le modèle expérimental en acrylique fourni par Master Flo.
Les vidéos obtenues grâce à la caméra haute vitesse ont apporté à Koeck et à son équipe de recherche la validation dont ils avaient besoin pour faire publier leurs articles et faire progresser les connaissances actuelles sur le phénomène de « choke » vers de nouveaux horizons.
À la tête de l’équipe de recherche se trouvait Harsa Mitra, étudiant en master d’ingénierie à l’université de Houston, qui a été engagé par Master Flo alors qu’il rédigeait son sujet de mémoire sur la question en question. Deux chercheurs principaux l’ont guidé tout au long de l’étude : le Dr Kamran Alba, expert en dynamique des fluides, et le Dr Rodolfo Ostilla Mónico, expert en analyse numérique. Trevor Gabel, étudiant de licence, ainsi que Dan Williams, directeur de l’ingénierie chez Master Flo USA, complétaient la liste des auteurs.
Harsa Mitra, chercheur principal (à gauche), et le Dr Kamran Alba, spécialiste de la dynamique des fluides.
« Je suis très satisfait du travail qu’ils ont accompli et fier de nos étudiants », a déclaré M. Koeck. « Nous avons fourni le financement, qui n’était pas négligeable, conçu les modèles d’essai analytiques et physiques, et contribué à la rédaction des rapports. Mais l’analyse numérique proprement dite a été réalisée par Mitra et le reste de l’équipe. C’était généreux de leur part de nous citer (Dan et moi) comme coauteurs de ce travail. »
Il est intéressant de noter que ce problème inexplicable, du moins en ce qui concerne la défaillance du système de réglage du starter, avait déjà été résolu par Williams et son équipe d'ingénieurs. Ils ont conçu un système de réglage « Multi-Port, Multi-Metal » qui, à ce jour, n'a connu aucune défaillance ultérieure dans cette application offshore spécifique impliquant un débit de gaz élevé.
Chercher à comprendre pourquoi cela s'était produit restait toutefois un objectif important, tant sur le plan scientifique que commercial.
« Nous n’étions pas obligés de le faire », explique Koeck. « C’est l’occasion de créer quelque chose de meilleur et de plus ambitieux, de tirer parti de la situation qui a donné naissance à cette opportunité. Nous n’étions pas tenus de mener cette analyse, mais nous en avons la possibilité, et nos clients y verront une mesure proactive que nous avons prise de notre propre initiative pour démontrer que nous sommes les experts dans notre domaine. »
« Nous sommes à la pointe de la technologie dans notre domaine et nous comprenons ce qui se passe réellement, au-delà de la simple ingénierie mécanique — ce n’est pas simplement du métal inerte — il s’agit de comprendre la dynamique des écoulements autour du produit que nous fabriquons. »
Alors, faut-il s'attendre à l'arrivée d'un « super-étrangleur » ? Pas nécessairement, répond Koeck, même si une conception différente de l'étrangleur, voire l'utilisation de matériaux différents, pourrait s'avérer intéressante pour les applications gazières offshore à haut débit.
« Telle est la recommandation qui ressort de cette enquête », a conclu Koeck. « Cette étude nous permet sans aucun doute de dégager les bonnes pratiques et les erreurs à éviter en matière de conception. »