Tangential momentum accommodation coefficient in microchannels with different surface materials (measurements and simulations).

par Mustafa Hadj nacer

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Irina Graour et de Pierre Perrier.

Le président du jury était Guy Lauriat.

Le jury était composé de Irina Graour, Pierre Perrier, Guy Lauriat, Stéphane Colin, David Newport, Lounès Tadrist, Hiroki Yamaguchi, Martin Wüest.

Les rapporteurs étaient Stéphane Colin, David Newport.


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude des écoulements de gaz raréfiés à travers divers micro-conduits de type circulaire et rectangulaire dans des conditions isotherme et stationnaire. L'objectif de la thèse est de contribuer à l'étude de l'interaction gaz-surface notamment en déterminant le coefficient d'accommodation de la quantité de mouvement pour différent matériaux de surface (Or, Silice, Acier inoxydable et Sulfinert) associés à différents types de gaz (hélium, azote, argon et dioxyde-de-carbone). Afin d'atteindre cet objectif, on adopte un triple point de vue : expérimental, théorique et numérique. L'aspect expérimental est réalisé par des mesures de débit massique à travers les micro-conduits, en utilisant la méthode dite « à volume constant ». L'aspect théorique original est développé à travers une nouvelle approche basée sur la résolution de l'équation de Stokes. Cette approche a permis d'écrire une expression analytique de débit massique en régime de glissement, qui prenne en compte les effets bidimensionnels dans une section de conduit rectangulaire. Cette approche complètement explicite, est conduite au deuxième ordre. Enfin l'aspect numérique permet de calculer le débit massique, en régimes transitionnel et moléculaire libre, en résolvant numériquement l'équation cinétique BGK linéarisée. La comparaison des mesures de débit massique avec l'équation analytique, en régime de glissement, ou avec les calculs numériques, en régimes transitionnel et moléculaire libre, nous a permis de déduire des coefficients de glissement et les coefficients d'accommodation correspondant à chaque couple gaz-surface dans tous les régimes de raréfaction.


  • Résumé

    This thesis is devoted to the study of rarefied gas flows through micro-channels of various cross sections (circular and rectangular) under isothermal and stationary conditions. The objective of this thesis is to contribute to the study of gas-surface interaction by determining the tangential momentum accommodation coefficient for different surface materials (gold, silica, stainless steel and Sulfinert) and associated to various gases (helium, nitrogen, argon and carbon-dioxide). To achieve this goal three aspects are considered: experimental, theoretical and numerical. The experimental aspect is considered by measuring the mass flow rate through microchannels using the constant volume technique. The theoretical aspect is considered by the development of a new approach based on the Stokes equations. This approach yields to the analytical expression of the mass flow rate in the slip regime, which takes into account the second order effects. The last aspect, numerical, is considered by the numerical simulations of the mass flow rate in the transitional and free molecular flow regimes by solving the linearized BGK kinetic model. The comparison between the measured mass flow rates and the analytically expressions in the slip regime or with the results of numerical simulations in the transitional and free molecular regimes enabled to deduce the tangential momentum accommodation coefficients corresponding to each pair gas-surface in all flow regimes.


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