Étude analytique et expérimentale des transferts de masse et de chaleur dans les caloducs oscillants pour des applications de vols hors gravité

Analytical and Experimental Study of Heat and Mass Transfer in Pulsating Heat Pipes for Non-Gravity Flight Applications

• Auteur / Autrice : Maksym Slobodeniuk
• Direction : Yves Bertin, Vincent Ayel, Rémi Bertossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 20/01/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Caney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Colin, Marco Marengo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Gravité réduite

Écoulement diphasique

Refroidissement

Composants électroniques

Caloducs

Mots clés libres

Caloduc oscillant

Écoulement bulles/bouchons

Écoulement annulaire

Pulsating heat pipe

Slug flow

Annular flow

Résumé

L'intégration de dispositifs électroniques de haute puissance et dissipant des centaines de watts par centimètre carré au sein des systèmes spatiaux provoque une hausse significative des besoins en systèmes de refroidissement de haute performance, légers et efficaces. En raison de ces exigences spécifiques, l’utilisation des systèmes de refroidissement diphasiques représentent un grand intérêt pour ces applications spatiales. Les caloducs oscillants, dispositifs passifs et simples de transfert de chaleur diphasique sont devenus une excellente solution pour les systèmes de management thermique spatiaux. Actuellement, le fonctionnement de ce type d'échangeurs de chaleur n'est pas entièrement étudié, notamment en conditions de microgravité. C'est pourquoi, dans le cadre des projets successifs INWIP et TOPDESS de l'ESA, l'évaluation des performances des caloducs oscillants plats et des spécificités opérationnelles sous différentes conditions de gravité a été défini comme principal objectif du présent travail de thèse.Les études expérimentales menées au cours de ce travail ont porté sur la caractérisation thermique des différents caloducs oscillants testés au sol et au cours de quatre campagnes de vols paraboliques de l'ESA. Des études paramétriques des performances de ces systèmes ont été effectuées en configuration verticale et horizontale, en utilisant différents fluides de travail (mélanges alcool-eau, fluides remouillants ou solutions de surfactant), différentes températures de condenseur, plusieurs concentrations de gaz non condensables et différents niveaux de gravité (terrestre, martien, lunaire, hyper et microgravité). L'amélioration des performances, parfois inattendues, ont été observées sous certaines conditions opératoires. Les études analytiques de l'écoulement diphasique dans le caloduc oscillant, concernant notamment le passage de l'arrêt de fonctionnement aux oscillations de forte amplitude (« phases de réactivation ») ont été réalisées grâce à des visualisations haute fréquence. Pour finir, les critères de transition d'écoulement du régime bulles/bouchons au régime semi-annulaire/annulaire a été étudiée dans le cadre d’une l'analyse non-dimensionnelle des principaux paramètres de l’écoulement.

Integration of high power and performance electronic devices in modern spacecraft systems with heat generation of hundreds of watts per square centimeter crucially increases needs in high performance, low weight, energy efficient and reliable thermal management systems. Due to these specific demands, two-phase heat rejection devices are of major interest for space applications. The Pulsating Heat Pipes, as simple passive two-phase heat transfer devices, have become an excellent solution for space cooling systems. Today, operation of this kind of heat transfer devices is not fully studied, especially in microgravity. So, in the context of ESA consecutive projects INWIP and TOPDESS, evaluation of the flat plate pulsating heat pipe performances and operational peculiarities under different gravity conditions has been defined as the main aim of the present PhD work. Experimental studies conducted during this work concerned the thermal characterization of different flat plate pulsating heat pipes tested on ground and during four ESA Parabolic Flight Campaigns. Parametric investigations have been carried out for vertical and horizontal orientations of the device using different working fluids (including alcohol aqueous solutions, self-rewetting fluids and surfactant solutions), condenser temperatures, non-condensable gases concentrations and gravity levels (Earth, Martian, Lunar, hyper and microgravity). Obvious, and sometimes unexpected, performances improvement has been observed under certain conditions. Analytical studies of the two-phase flow inside the FPPHP, especially concerning the transition from stopover to high-amplitude oscillations (fluid flow “re-activation phases”) have been done thanks to high-frequency visualizations. Finally, the flow transition criterion, from the slug-plug flow regime to semi-annular/annular flow, was studied thanks to dimensionless analyzes considering the main parameters of the flow.