Thermo-hydrodynamique d'un ménisque étendu que l'approche de l’unit-cell du caloduc oscillant

Thermo-hydrodynamics of an extended meniscus as unit-cell approach of pulsating heat pipe

• Auteur / Autrice : Manoj Rao
• Direction : Jocelyn Bonjour, Frédéric Lefèvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique
• Date : Soutenance le 18/09/2015
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Sameer Khandekar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jocelyn Bonjour, Frédéric Lefèvre, Sameer Khandekar, Yves Bertin, Lounès Tadrist, Vincent Ayel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Bertin, Lounès Tadrist

Mots clés

Mots clés contrôlés

Caloducs

Équilibre thermodynamique

Thermodynamique

Mots clés libres

Énergétique

Thermique

Thermodynamique

Condensation

Évaporation

Équilibre thermodynamique

Caloducs

Vapeur d'eau

Temperatures

Effets thermiques

Pulsation

Oscillations

Energetic

Thermic

Thermodynamics

Condensation

Evaporation

Thermodynamic equilibrium

Heat pipe

Temperature

Thermic effects

Pulsating

Oscillator

Résumé

Ce travail fait une tentative pour expliquer les oscillations induites thermiquement auto-entretenue d'un système à deux phases constitué d'un liquide-vapeur confinée ménisque isolé (un bouchon de liquide unique attenant à une bulle de vapeur) à l'intérieur d'un tube capillaire circulaire, la longueur du tube être exposé à un gradient de température net, créant ainsi un cycle continu de l'évaporation et la condensation. Ce système représente la simple « unité-cellule" version d'un caloduc oscillant (PHP). La compréhension fondamentale de son comportement de transport menant à oscillations auto-soutenue est essentielle pour la construction des modèles mathématiques jusque-là inexistants du système PHP complet. Tout d'abord, la visualisation des oscillations de l'unité de cellules a été effectuée dans des conditions aux limites thermiques contrôlées. Ici, une compréhension nouvelle et unique de la dynamique du système a été atteint par une synchronisation en temps réel de la mesure de pression interne avec la vidéographie haute vitesse qui a été utilisé pour visualiser et enregistrer les oscillations du ménisque et le mince film de liquide qui est mis sur le mur lorsque le ménisque quitte l'évaporateur. Un modèle numérique a été développé pour le système constitué par un bouchon de vapeur et un bouchon de liquide oscillant dans un tube fermé à une extrémité et relié à un réservoir à une pression constante à l'autre extrémité. Le principe de modélisation avait été posé lors de travaux antérieurs. Quelques modifications ont été jamais moins introduites dans ce travail pour prendre en compte les particularités de la nouvelle expérimental et pour améliorer le liquide modèle film de l'évaporation à la lumière des résultats expérimentaux. Une étude paramétrique a également été réalisée pour comprendre les implications des différents facteurs sur le fonctionnement d'un tel système.

This work makes an attempt to explain the self-sustained thermally-induced oscillations of a two-phase system consisting of an isolated confined liquid–vapour meniscus (a single liquid plug adjoining a vapour bubble) inside a circular capillary tube, the tube length being exposed to a net temperature gradient, thereby creating a continuous cycle of evaporation and condensation. This system represents the simplest ‘unit-cell’ version of a Pulsating Heat Pipe (PHP). The fundamental understanding of its transport behavior leading to self-sustained oscillations is vital for building the hitherto non-existent mathematical models of the complete PHP system. First, visualization of the oscillations of the unit-cell has been done under controlled thermal boundary conditions. Here, a unique and novel understanding of the system dynamics has been achieved by real-time synchronization of the internal pressure measurement with high-speed videography that was used to visualize and record the meniscus oscillations and the thin liquid film that is laid on the wall when the meniscus leaves the evaporator. A numerical model was developed for the system consisting of a vapour plug and a liquid slug oscillating in a tube closed at one end and connected to a reservoir at a constant pressure at the other end. The modeling principle had been posed in previous work. Some modifications were never the less introduced in this work to take into account the peculiarities of the new experimental set-up and to improve the liquid film evaporation model in the light of the experimental results. Also a parametric study was carried out to understand the implications of the various factors on the working of such system.