Analyses et caractérisations numérique et expérimentale d'un caloduc tournant à grandes vitesses de rotation

par Noëlie Guilhem

Thèse de doctorat en Energie, thermique, combustion

Sous la direction de Yves Bertin et de Cyril Romestant.

Soutenue en 2011

à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique .

mots clés

• Transferts thermiques
• Refroidissement de dispositifs tournants
• Changement d'état (physique)
• Caloducs
• Transfert de chaleur
• Simulation par ordinateur

Résumé

L'utilisation de machines électriques soumises à des conditions de fonctionnement toujours plus sévères (vitesse de rotation, dissipations de chaleur) nécessite la mise au point d'un dispositif efficace, autonome et fiable, capable d'extraire la chaleur de ces équipements tout en respectant les contraintes de poids, de taille et de coût rencontrées dans l'aéronautique. Outre ses qualités de système passif pouvant transférer d'importantes quantités de chaleur, le caloduc tournant axial satisfait ces exigences du fait de l'encombrement minimal et des faibles quantités de fluide qu'il nécessite. La caractérisation de ce type de dispositifs diphasiques soumis à de fortes accélérations radiales (jusqu'à 16 000 g) a fait l'objet de travaux à la fois numériques et expérimentaux effectués dans le cadre de cette thèse. Une première phase de l'étude développée dans ce mémoire a été dédiée à la description du comportement thermo-hydraulique interne du caloduc tournant par une approche semi-analytique centrée sur la modélisation du comportement de la phase liquide. Cette réflexion, menée à la fois dans des cas de remplissage minimaux ainsi que dans des cas de sur-remplissage, a permis de mettre en évidence la sensibilité des performances aux différents paramètres de fonctionnement que sont la vitesse de rotation, le flux de chaleur, la masse de fluide, la température de saturation et la nature du fluide. La caractérisation du caloduc tournant a ensuite été complétée par une phase expérimentale nécessaire à la quantification des capacités de transferts de chaleur dans des conditions réelles de fonctionnement. Les différentes campagnes d'essais menées ont permis d'une part de s'assurer du fonctionnement du dispositif chargé soumis à des accélérations très élevées et d'autre part, de quantifier les performances du système pour diverses conditions opératoires (vitesse, flux de chaleur, etc. ). L'ensemble des investigations a révélé un potentiel de transfert de chaleur très satisfaisant, ce qui s'avère très encourageant en vue d'une intégration du système dans une machine tournante.

Titre traduit

Analysis and numerical and experimental characterizations of a high speed rotating heat pipe

Résumé

The use of electrical equipments undergoing hard operating conditions (rotational speed, heat dissipations) leads to the development of an efficient, passive and reliable device, capable of extracting heat from those systems while satisfying constraints such a weight, size and cost encountered in aeronautics. As well as being a good passive system transferring large quantities of heat, the axial rotating heat pipe satisfies all those requirements because of its reduced size and the small working fluid loads. The characterization of this type of two-phase devices operating under high radial acceleration levels (up to 16 000 g) has led to researches both numerical and experimental carried out during this thesis. The first phase of this study is devoted to the internal thermo hydrodynamic behaviour of the rotating heat pipe with a semi-analytic approach, concentrated on the behaviour of the liquid phase. This analysis, carried out with both minimal and overweight conditions, has highlighted the devices performances sensibility to the different operating parameters which are the rational speed, the heat flux, the filling ration the saturation temperature and the type of fluid. The rotating heat pipe characterization has then been completed with an experimental phase, necessary to the evaluation of its heat transfer capacities in real operating conditions. Different series of tests first checked the ability of the device to operate under high accelerations while being loaded with fluid and then lead to the system performances determination for several operating conditions (speed, heat flux, etc. ). All those investigations revealed a very interesting heat transfer potential which is very promising for the integration of this system in rotating equipment.