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Soutenance de thèse d’Alexandre MARIE

by Isabelle Clarysse - published on

Alexandre MARIE soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés:

Contrôle et intensification des transferts par voie capillaire : conception et analyse d’un évaporateur à performances thermique et hydraulique découplées

La soutenance se déroulera vendredi 25 Janvier à 10h30 à l’amphithéâtre Daurat du batiment U3 de l’Université Paul Sabatier à Toulouse.

Le jury :

M. Pierre COLINET - Rapporteur - Professeur, Ecole polytechnique de Bruxelles, ULB
M. Stéphane LIPS - Rapporteur - MCF, CETHIL, INSA de Lyon
Mme Souad HARMAND - Examinatrice - Professeur, LAMIH, UVHC
M. Frédéric TOPIN - Examinateur - MCF, IUSTI, Université d’Aix-Marseille
M. Jean-Pierre BOEUF - Examinateur - DR CNRS, Laplace, Université de Toulouse
M. Laurent LACHASSAGNE - Examinateur - Dr-Ing, IRT Saint-Exupery
M. Marc MISCEVIC - Directeur de thèse - MCF, Laplace, Université de Toulouse
M. Yves BERTIN - Co-directeur de thèse - Professeur, Institut PPRIME, ISAE-ENSMA
M. Pascal LAVIEILLE - Invité - MCF, Laplace, Université de Toulouse


Résumé :

Dans le contexte de l’aéronef plus électrique, la gestion thermique de multiples composants dissipatifs au sein d’un unique système de refroidissement apparait être une problématique critique. En particulier, l’utilisation de multiples évaporateurs intégrés à un système fluidique unique, permettant d’extraire localement la chaleur dissipée via la vaporisation du fluide caloporteur, est couramment envisagée. Toutefois, il apparait à l’heure actuelle difficile de maitriser les phénomènes associés à la vaporisation du fluide au sein d’un évaporateur alimenté en liquide par une source de pompage indépendante, imposée par le système de refroidissement complet. Ce contrôle des phénomènes apparaissant nécessaire à l’optimisation des performances thermiques et hydrauliques associées, l’étude d’une architecture particulière d’évaporateur a été menée. Celle-ci, via la mise en œuvre locale du pompage capillaire, doit en effet permettre l’extension et l’évaporation de films de liquide sur une surface chauffée indépendamment de l’écoulement de liquide fourni à l’évaporateur.
Un dispositif expérimental a alors été mis en place, celui-ci étant constitué d’un prototype d’évaporateur basé sur cette architecture ainsi que d’un système de caractérisation thermique et hydraulique associé. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de décrire le fonctionnement général de l’évaporateur, notamment en matière de répartition des phases liquide et vapeur, tandis que les mesures de température et de pression mises en œuvre ont permis de quantifier les équilibres hydrauliques et les coefficients de transferts associés à cette configuration.
Parallèlement à ce travail expérimental, différentes approches de modélisation de l’évaporateur ont été menées. Tout d’abord, une modélisation analytique de l’équilibre hydraulique global de l’évaporateur a permis de quantifier les mécanismes à l’origine des différents modes de fonctionnement observés et de prédire les limites expérimentales de ceux-ci. Par la suite, une modélisation numérique des écoulements et des transferts au niveau de la paroi chauffée a été développée afin de mettre en évidence les différents facteurs influençant les coefficients de transferts thermique mesurés dans notre configuration. Enfin, une première approche théorique d’optimisation géométrique de structure capillaire adaptée à cette configuration a été développée, celle-ci devant permettre, à terme, d’intensifier les échanges et/ou de repousser les limites de fonctionnement associées à l’évaporation du liquide.

Mots-clés : vaporisation, pompage capillaire, transferts de chaleur, micro-fluidique, modèle, expériences


Abstract :

Given the "more electrical aircraft" industrial problematic, the thermal management of multiple and scattered dissipative components appears to be a crucial technological issue. In particular, the use of multiple evaporators, integrated into a unique cooling system, is frequently considered. However, actual control of the vaporization phenomenon occuring in an evaporator which is supplied in liquid by an external source (imposed by the complete cooling system) is still problematic. Considering that it is necessary to overcome this limit to optimize the associated thermal and hydraulic performances, a particular evaporator architecture has been considered. This architecture, based on the utilization of local capillary pumping, may indeed allow the expansion and evaporation of liquid films on a heated surface independantly from the liquid flow rate supplied to the device.
To this end, a dedicated experimental system has been set up. It consists of an evaporator designed according to such an architecture and an associated test bench allowing the characterization of both the thermal and hydraulic behavior of the prototype. The experimental results allowed to describe the general operation of the device in terms of liquid and vapor phase repartition, whereas temperature and pressure measurements allowed to quantify the hydraulic equilibriums and heat transfer coefficients associated to this configuration.
Simultaneously with this experimental approach, several modeling efforts have been conducted. First, an analytical model of the hydraulic equilibrium associated to the evaporator assembly permitted to quantify the mechanisms that cause the distinct operating modes observed as well as predicting their limits. Then, a numerical resolution of the liquid flow and heat transfer occuring on the heated surface has been developed to assess the influence of different physical parameters on the measured heat transfer coefficients. Finally, a first procedure allowing a geometric optimization of capillary structures adapted to this experimental configuration has been established in the objective of enhancing the evaporative heat transfer and/or extending the operating range of the device.

Keywords : vaporization, capillary pumping, heat transfer, micro-fluidics, modeling, experiments