Etude du transfert thermique local en régime transitoire lors du refroidissement par un mini-jet

par Jean Bosco Baonga

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Michel Imbert.

Soutenue en 2007

à Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard .

mots clés

• Transfert de chaleur
• Refroidissement laser

Résumé

Ce travail présente une étude expérimentale du refroidissement par un mini jet d’eau impactant un disque chauffé. Les essais sont menés avec des injecteurs de diamètres 2mm et 4mm, pour des nombres de Reynolds variant entre 1300 et 9000. Pour une hauteur d’impact variant entre 13mm et 95mm, une puissance électrique de chauffe comprise entre 41 et 171W, nous avons mené les essais dans le but de déterminer les mécanismes du transfert thermique qui ont lieu lors du refroidissement. Pour éviter de perturber l’écoulement, nous avons opté pour des mesures optiques fondées sur la fluorescence induite par laser. La diminution du diamètre du jet sous l’effet des forces gravitationnelles et inter faciales est analysée. Le profil de vitesse moyenne du jet, de l’injecteur à la zone de stagnation a été établi. Les évolutions de l’épaisseur du film et de la vitesse moyenne de l’écoulement sur le disque sont étudiées. Le saut hydraulique observé pour des nombres de Reynolds modérés est caractérisé par son rayon. Nous avons démontré que le saut hydraulique est clairement influencé par la température du jet. Nous avons proposé une relation donnant le rayon du saut avec une incertitude de 7% par rapport aux valeurs mesurées. Par fluorescence induite par laser, nous avons mesuré la température du jet et celle de la surface de la plaque dans la zone de stagnation. L’étude du transfert thermique en régimes permanent et transitoire est menée en utilisant les techniques inverses. L’analyse du transfert thermique local révèle une intensification des échanges thermiques dans la zone de stagnation et une décroissance progressive de ces échanges avec le rayon du disque.

Titre traduit

Study of transient local heat transfer during the cooling by a mini jet

Résumé

This work presents an experimental study of cooling by a mini water jet impacting a heated disc. The tests are carried out with injectors of opening diameters 2mm and 4mm, and for Reynolds number between 1300 and 9000. For an impact height between 13mm and 95mm, an electric output of heating ranging between 41 and 171W, we carried out the tests with an aim of well understanding the thermal transfer mechanisms which take place during the cooling To avoid disturbing the flow, we choose optical measurements, founded on the fluorescence induced by laser. The jet diameter reduction, under the gravitational and capillary forces effect is analysed. The profile of mean velocity, from the injector to the stagnation zone has been established. The film thickness evolutions and mean velocity of the flow after impact have been studied. The hydraulic jump observed on the edges of the disc for moderate Reynolds numbers is characterized by its radius. It is shown that the hydraulic jump is clearly influenced by the jet temperature. We have proposed a relation giving the radius of the jump with an uncertainty of 7% compared to the measured values. With fluorescence induced by laser, we have measured the jet temperature and also the temperature of the disc surface, in the stagnation zone. The study of thermal transfer in steady and transient state is undertaken by using the inverse techniques. The analysis of the local thermal transfer reveals an intensification of heat exchange in the stagnation zone and a progressive decrease of heat exchange with the disc radius.