Analyse par voie de modélisation du comportement thermohydraulique instationnaire de boucles diphasiques à pompage capillaire en environnement gravitaire : application au refroidissement de composants électroniques de puissance soumis à des sollicitations sévères

par Nicolas Delalandre

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides et énergie, thermique, combustion

Sous la direction de Yves Bertin et de Vincent Ayel.


  • Résumé

    La démarche d'électrification des avions repose sur l'intégration croissante d'électronique de puissance. En raison de l'importance de la dissipation thermique qu'elle génère, les systèmes de refroidissement traditionnels atteignent leurs limites. Parmi les solutions de transport de chaleur alternatives identifiées apparaissent les boucles diphasiques à pompage capillaire. Cette thèse en propose une démarche de modélisation. Après la présentation d'une boucle diphasique particulière mettant à profit la gravité grâce au positionnement relatif de ses organes principaux - réservoir, évaporateur et condenseur - une première modélisation du comportement transitoire est détaillée. Basée sur la méthode nodale et utilisant le solveur ESACAP, elle repose essentiellement sur l'hypothèse de fluide homogène et la représentation du changement de phase par une approche enthalpique. Au regard des temps caractéristiques des phénomènes, la dynamique hydraulique n'est pas appréhendée dans ce premier modèle. Un banc expérimental développé par ailleurs a permis de contrôler la qualité des comportements thermiques simulés mais aussi de pointer l'insuffisance des réponses hydrauliques de ce système. Pour des sollicitations sévères, les phénomènes hydrauliques deviennent prépondérants lors des régimes transitoires. Aussi, un second modèle basé sur une méthode de volumes finis associée à la résolution précise des équations de conservation a été bâti. Si une représentation affinée du réservoir et de l'évaporateur reste encore nécessaire, l'aptitude de cette modélisation à traduire le comportement hydraulique d'une boucle soumise à des conditions de fonctionnement sévères a pu être démontrée.

  • Titre traduit

    Modeling and analysis of transient thermohydraulic behaviour of capillary pumped loop in the gravity field : power electronics cooling application


  • Résumé

    Electrification of airplane approach lays on the increasing power electronics integration. Traditional cooling systems reach their maximal performance because of the high thermal dissipation of these components. Two-phase fluid capillary pumped loops appear among identified alternative solutions. This thesis aims at proposing a modelling approach of this king of system. A peculiar architecture of two-phase fluid capillary pumped loop, exploiting gravity thanks to relative position between its constitutive components which are the tank, the evaporator and the condenser, is firstly presented. Then a transient modelling approach which relies essentially on nodal method, homogenous fluid hypothesis and phase change management thanks to pressure and mass enthalpy instead of temperature, is proposed. The main weakness of this modelling is not to take into account hydraulic dynamic. Not only experimental validation has revealed the thermal estimation quality but also the incapacity of hydraulic behavior prediction. However, hydraulic phenomenon leads the loop functioning during transient states. Thus, un new model which traduces accurately the mechanical aspects is proposed. It relies on mass conservation, momentum and energy conservation equations solving using finite volumes method. Mass enthalpy, pressure and mass flow rate are considered as variables. Even if refining the evaporator and tank modelling would induce a better accuracy, the ability of this transient modelling to predict to thermohydraulic behavior of the loop is proved soon.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXVI-208 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 189-194

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  • Cote : MFTH 10893
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