Simulation numérique de l'ébullition nucléée : analyse de l'influence du contact liquide-vapeur-solide

par Savinien Pertant

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Guillaume Balarac et de Giovanni Ghigliotti.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble) (laboratoire) et de MoST - MOdélisation et Simulation de la Turbulence (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Le changement de phase permet des échanges de chaleur importants grâce à l'exploitation de la chaleur latente. Il est communément utilisé dans un grand nombre d'applications, des machines frigorifiques individuelles jusqu'aux centrales nucléaires à eau bouillante. Cependant le transfert de chaleur dépend fortement de la dynamique microscopique de chaque bulle, pilotée par le comportement de la ligne triple (lieu de contact des trois phases : solide, liquide et vapeur), à son tour influencé par l'angle de contact. Des expériences récentes menées au Laboratoire LEGI [Phan2009, Phan2010] ont montré qu'il est possible d'accroître le taux de transfert de chaleur à travers une opportune répartition spatiale de surfaces hydrophiles et hydrophobes. Mais les détails du comportement de la ligne triple sont difficilement accessibles expérimentalement (à cause de la dynamique rapide, de la petite échelle et de l'opacité d'un fluide en ébullition). Un consensus n'existe pas d'ailleurs sur certains mécanismes clés de l'ébullition nucléée, comme la dépendance de la taille de la bulle (au moment du détachement de la paroi) à la valeur de l'angle de contact, même dans le cas de propriétés de mouillage uniformes [Phan2010]. La simulation numérique est un outil adapté pour permettre l'étude du comportement microscopique des bulles de vapeur grossissant sur – et se détachant de – la paroi chauffée, qui permet d'avoir accès aux petites échelles spatiales et temporelles. Un effort de modélisation est néanmoins nécessaire pour la description de la dynamique à l'échelle nanométrique aux environs de la ligne triple, échelle trop faible pour être capturée par une simulation à la taille de la bulle. En conclusion, il s'agit d'un problème multi-échelle de couplage multi-physique (mécanique des fluides couplée aux transferts de chaleur à travers la dynamique des interfaces) aujourd'hui mal compris. Toute avancée dans la compréhension de ce phénomène est susceptible d'avoir des retombées technologiques positives dans les nombreux procédés d'échange de chaleur par changement de phase, et donc dans la diminution de la demande énergétique humaine.

  • Titre traduit

    Numerical simulation of nucleate boiling : analysis of the influence of the liquid-vapor-solid contact


  • Résumé

    Phase change allows considerable heat exchanges thanks to the exploitation of latent heat. It is commonly used in numerous applications, ranging from fridges to boiling water nuclear power plants. Nevertheless, the amount of heat transferred strongly depends on the microscopic dynamics of individual bubbles, guided by the behavior of the contact line (region of contact of the three phases: solid, liquid and vapor), itself influenced by the contact angle. Recent experiments carried out at LEGI Laboratory [Phan2009, Phan2010] showed that it is indeed possible to enhance the heat transfer coefficient through an appropriate spatial distribution of hydrophilic and hydrophobic patches on the solid surface. But the details of the contact line behavior are hardly accessible through experiments (due to the rapid dynamics, small scale and the opacity of a boiling fluid). Moreover, no consensus exists on key mechanisms of nucleate boiling, such as the dependence of the bubble size (at detachment from the solid wall) on the value of the contact angle, even in the case of homogeneous wetting properties [Phan2010]. Numerical simulation is an appropriate tool to allow the study of the microscopic behavior of vapor bubbles, growing on – and detaching from – the heated surface, allowing access to spatial and temporal small scales. A modeling effort is nevertheless needed to describe the dynamics at the nanometer scale around the contact line, a scale that is too small to be captured by simulations at the bubble scale. In conclusion, it is a multiscale problem of a multiphysics coupling (fluid mechanics coupled to heat transfer through interface dynamics), not completely understood nowadays. Any advance in the understanding of this phenomenon is likely to have positive technological impact on the numerous heat exchange processes based on phase change, and then on the decrease of energy demand of mankind.