Intensification passive des transferts thermiques et gestion d'écoulement en double phase : construction de surfaces d'échanges optimisées appliquées aux échangeurs de chaleur

Résumé

Les échangeurs de chaleur sont des composants essentiels au fonctionnement de tous les systèmes thermiques industriels. Dans une conception sur mesure, le défi du concepteur est de trouver la structure de surface d’échange qui apporte le meilleur compris entre masse, pertes de charge et puissance thermique échangée. Dans le cas des échangeurs diphasiques, les phénomènes physiques en jeu sont issus de couplages forts et complexes entre les propriétés du fluide, de surface des parois et les conditions opératoires. Des outils numériques adaptés sont donc nécessaires pour définir les structures d’échanges appropriées. La première partie de cette thèse est ainsi dédiée à la simulation numérique du fonctionnement d’un échangeur de chaleur diphasique avec une approche par milieux poreux équivalents. Un modèle d’écoulement diphasique à 4 équations a été développé. Un code de calcul a été réalisé sous Fortran pour résoudre ce modèle dans des domaines cartésiens, réguliers et multidimensionnels. La méthode de résolution retenue est un schéma numérique de type Godunov où les variables de bords sont calculées par un solveur de type HLLC. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mise en œuvre de moyens expérimentaux permettant de caractériser des paramètres physiques essentiels au code de simulation numérique développé. Un dispositif expérimental a donc été conçu et réalisé pour étudier l’ébullition ou la condensation dans des prototypes d’échangeur compacts métalliques conçus et produits par un procédé de fabrication additive. Les premières campagnes de mesures réalisées ont permis de rassembler des résultats validant de façon qualitative les protocoles expérimentaux

mots clés

Titre traduit

Passive heat transfer enhancement and two-phase flow modelling : construction of optimized heat transfer surfaces applied to heat exchangers
Résumé

Heat exchangers are essential components in the functioning of all industrial thermal systems. In a custom design, the challenge for the designer is to find the exchange surface structure that provides the best balance between mass, pressure drop and exchanged thermal power. In the case of two-phase heat exchangers, the physical phenomena are the result of strong and complex couplings between fluid and surface properties and operating conditions. Adapted numerical tools are therefore necessary to define the appropriate exchange structures. The first part of this thesis is thus dedicated to the numerical simulation of the operation of a two-phase heat exchanger with an equivalent porous media approach. A 4-equations two-phase flow model has been developed. A numerical code has been realized in Fortran to solve this model in Cartesian, regular and multidimensional domains. The chosen numerical method is a Godunov-type scheme where the variables at the edges are computed by a HLLC-type solver. The second part of this thesis is dedicated to the implementation of experimental tools to characterize essential physical parameters used in the numerical code we developed. An experimental device has thus been designed and realized to study flow boiling or condensation in metallic compact heat exchanger prototypes designed and produced by an additive manufacturing process. The first measurement campaigns we carried out have enabled us to obtain results that qualitatively validate the experimental protocols