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Systèmes thermiques diphasiques

par Freddy Gaboriau - publié le

Ce thème de recherche se décompose actuellement en 6 sous-thèmes :


Intensification des transferts par morphing de paroi

Le concept d’échangeur de chaleur intégrant un morphing dynamique de paroi pour la performance et la compacité a été validé dans le précédent quinquennal. Sur cette base, un projet FUI a été initié sous l’impulsion de partenaires industriels (KONTRON notamment) afin de concevoir, réaliser et tester un prototype préindustriel d’échangeur ayant pour vocation le refroidissement d’une électronique embarquée. Compte-tenu de l’application, le cahier des charges était très contraint en termes de performances thermiques, de consommation énergétique, de compacité, de coût, de robustesse et de fiabilité. Un travail important a ainsi dû être réalisé afin d’optimiser ces différents paramètres en prenant notamment en compte les interactions fluide/structure et les couplages entre les aspects électromécaniques de l’actionnement et les caractéristiques thermo hydrauliques de l’échangeur.

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Effet de la mouillabilité sur la condensation en gouttes

Le régime de condensation en gouttes est particulièrement efficace d’un point de vue thermique. Le maintien de ce régime, notamment en l’absence de gravité, passe par un mécanisme d’évacuation des gouttes les plus grosses afin de permettre la formation et la croissance cyclique de plus petites gouttes. La distribution qui s’établit est fonction d’un nombre important de paramètres avec des sensibilités encore assez mal connues en raison de la difficulté (voir de l’impossibilité) de caractériser la distribution des plus petites gouttes expérimentalement. Dans le cadre de la thèse de Felipe M. Mancio Reis, une formulation a été développée pour déterminer le rayon critique au-delà duquel une goutte est mise en mouvement naturellement sur une surface à gradient de mouillabilité. Une telle configuration est intéressante en microgravité, les forces de tension de surface suppléants ainsi les forces de volume. La formulation proposée fait notamment apparaître explicitement l’hystérésis d’angle de contact. Une démonstration expérimentale a également été faite de l’aptitude de ce type de surface à gradient de mouillabilité à éviter la formation de film de condensation, et donc de maintenir un régime de condensation en gouttes nettement plus efficace thermiquement. Fort de cette caractérisation sur une goutte unique, un travail de modélisation à l’échelle d’une population entière de gouttes a été entrepris dans le cadre de la thèse de Jérémie Lethuillier. L’approche développée est individu-centrée sur une population nécessairement assez modeste pour des raisons de temps de calcul. Les résultats permettent alors de proposer une revisite des modèles statistiques disponibles dans la littérature.

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Boucle diphasique à pompage capillaire

Les boucles à pompage capillaire sont des systèmes thermiques hautement performants (plusieurs kW et de densités de flux désormais supérieures à 100 W/cm2) ce qui en font des dispositifs de premier plan pour le développement des aéronefs plus électrique. Ces performances reposent sur une complexité faite de couplage non-linéaires alliant des écoulements de condensation et de la vaporisation dans un milieu poreux ce qui fait que la dynamique du système est en soit un objet de recherche. Dans le cadre de la thèse de M. Levèque, il s’agit d’étudier l’opportunité de rajouter un élément actif (pompe mécanique) pour pallier les limites de pompage intrinsèques à la structure poreuse de l’évaporateur capillaire et révélées lors de sollicitations sévères (cycles de puissance de forte amplitude, démarrage à fort flux, accélération, …). Sur la base d’un banc de test développé lors de la période précédente, une boucle capillaire avec assistance mécanique a été testée. Au-delà de la démonstration des performances inédites, ce travail a permis de questionner en profondeur la modélisation de ces systèmes. Les propositions expérimentales et théoriques formulées posent les bases du contrôle de la dynamique de ces systèmes. Par ailleurs, le travail de collaboration avec l’institut PPRIMES autour de la thèse de F. Accorinti a permis d’avancer dans la simulation de la dynamique lors du démarrage qui reste une phase délicate.

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Electrohydrodynamique pour les systèmes diphasiques capillaires

Il s’agit de mettre à profit les forces qui se développent dans un fluide diélectrique lorsqu’on applique un champ électrique de façon à étendre les capacités de pompage et/ou de contrôler et intensifier les transferts de chaleur dans des configurations en lien avec les systèmes diphasiques capillaires. Dans ce cadre, une première partie de la thèse de B. Blaineau a été une contribution à la compréhension de l’interaction entre une interface liquide-vapeur et un champ électrique. Une étude expérimentale dans une configuration académique (deux électrodes planes et verticales) a permis de montrer que parmi l’ensemble des forces s’exerçant sur l’interface, la force diélectrophorétique est celle qui contrôle sa position et sa forme avec ou sans vaporisation. Ces résultats ont confirmé par ailleurs que le champ électrique peut être effectivement mis à profit pour une intensification des transferts de chaleur proches d’une paroi chauffée. Dans un deuxième volet, les travaux se sont concentrés sur la mise en mouvement d’un liquide en mettant à profit le régime de conduction. Une étude expérimentale permettant d’étudier l’influence des différents paramètres (géométriques, nombre de modules) a été réalisée. Les résultats ont montré une faible reproductibilité du pompage suggérant une forte sensibilité des phénomènes aux régimes d’injection de charge.

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Effet de la gravité sur la condensation convertie à faible vitesse massique

L’objectif est de mieux comprendre et prédire les écoulements et les transferts qui s’établissent dans les condenseurs de systèmes diphasiques en particulier pour des faibles vitesses massiques (kg/m²/s). Ces données sont essentielles pour dimensionner les systèmes de régulation thermique terrestre ou spatiaux fonctionnant à faible débit. Pour cela deux bancs originaux de mesures ont été développés. Un terrestre permettant la mesure simultanée des transferts de chaleur et des épaisseurs de film de condensation au sein d’un tube. Un dédié aux expériences en microgravité dans l’avion 0g de Novespace couplant également des mesures innovantes d’épaisseurs de film et de transferts de chaleur. Deux campagnes de mesures en vols paraboliques de l’ESA ont été réalisées (juin 2015 et oct 2018) en collaboration avec les universités de Padoue et de Bruxelles. Une expérience sur l’ISS a également été dimensionnée et est en cours d’évaluation par l’ESA. Dans le cadre des collaborations des agences spatiales internationales sino-européennes (ESA, CMSA) nous sommes également impliqués dans les programmes de collaboration sur la condensation.

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Micro-échangeur

Il s’agit ici de créer un nouveau type d’échangeur pouvant s’insérer dans des boucles de refroidissement fluide existantes (capillaire, mécanique) afin de permettre le refroidissement de nombreux systèmes annexes de faible puissance ou de créer des systèmes de refroidissement peu énergivore. Dans le cadre du projet SOCOOL de l’IRT St Exupéry, un échangeur proposant un fort coefficient d’échange et des pertes de charges inférieures au kPa a été développé. Le succès des résultats et des modèles obtenus a conduit au dépôt d’un brevet (avec extension internationale) et fait aujourd’hui l’objet d’un projet de maturation porté par TTT. Les performances de ce système sont régies par des transferts de chaleur s’opérant à des échelles micrométriques au voisinage de l’interface liquide-vapeur ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de recherche académique.

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