Etude expérimentale d'écoulements gazeux dans les microsystèmes à fluides

par Pierre Lalonde

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Robert Caen.

Soutenue en 2001

à Toulouse, INSA .


  • Résumé

    Cette étude est axée sur la réalisation d'un banc d'essais spécifique à la mesure de très faibles débits gazeux, et sur une analyse expérimentale d'écoulements gazeux dans des microconduites. A partir d'un certain degré de raréfaction, les débits de gaz sont sous-estimés par la théorie classique de type Navier-Stokes avec des conditions aux limites d'adhérence aux parois. L'objectif est de comparer des résultats expérimentaux d'écoulements gazeux dans des microconduites de sections circulaires et rectangulaires avec des modèles d'écoulements glissants (slip-flow). L'étude est introduite par une analyse bibliographique où quelques microdispositifs fluidiques sont présentés, ainsi que différents modèles d'écoulements glissants, et une revue non exhaustive de moyens de mesures de très faibles débits gazeux. Le banc d'essais est ensuite décrit. Il peut mesurer des débits allant de 10-7 m3s-1 à 5. 10-13 m3s-1, avec des pressions amont ou aval allant de 2. 104 Pa à 4. 105 Pa, et des températures comprises entre 10 ʿC et 40 ʿC. Les microconduites ont été testées avec des écoulements d'air, d'azote ou d'hélium. Les résultats expérimentaux sont comparés à des modèles d'écoulements non glissants et glissants avec des conditions aux limites de sauts de vitesse développés au premier ordre (développement de Maxwell) et au second ordre (développement de Deissler). Le modèle de premier ordre prédit correctement les débits observés pour des nombres de Knudsen de sortie inférieurs à 0,05. Le modèle de second ordre prédit correctement les débits observés pour des nombres de Knudsen de sortie inférieurs à 0,2. Les essais réalisés lors de cette Thèse permettent de constituer un début de banque de données expérimentales. Quelques questions demeurent posées, qui pourront trouver réponse grâce à des essais complémentaires en déterminant notamment les influences de la nature du gaz, de la température, de l'état de surface des matériaux ou encore du rapport de forme de la section des conduites.


  • Résumé

    This work deals with the realisation of an experimental set-up specific to the measurement of very small gaseous flows, and an experimental analysis of gaseous flows in microducts. When the gas becomes rarefied, flowrates are underestimated by the classical theory using the Navier-stokes equations with no-slip velocity boundary conditions at the walls. Our aim is to compare experimental results relative to flows through microducts of circular and rectangular cross sections with theoretical results from slip-flow models. The study is introduced by a bibliographic analysis where some fluidic microsystems are presented, as well as different slip-flow models in terms of boundary conditions adopted by different authors, and a non exhaustive review of very small gaseous flowrate measurement techniques. The experimental set-up is then described. It can measure flowrates from 10-7 m3s-1 to 5. 10-13 m3s-1, with upstream and downstream pressures from 2. 104 Pa to 4. 105 Pa, and temperatures between 10 ʿC and 40 ʿC. The microducts have been tested with air, nitrogen or helium flows. The experimental results are compared with no-slip models and slip-flow models containing slip velocity boundary conditions developed to the first order (Maxwell development) and to the second order (Deissler development). The first order accurately predicts the measured flowrates only for outlet Knudsen numbers smaller than 0. 05. The second order model accurately predicts the measured flowrates for outlet Knudsen numbers smaller than 0. 2. The tests realised during this thesis allow a database of experimental results to be started. These show that several questions remain unanswered, the solution to which may be obtained by carrying out complementary tests to show the influence of the nature of the gas, the temperature, the conditions of the material surface or even the aspect ratio of the channels.

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Informations

  • Détails : 173 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 169-173

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2001/610/LAL
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