Dynamiques et Transferts dans les écoulements diphasiques avec changements de phase en gravité normal et microgravité

Dynamics and Transfers in two phase flows with phase change in normal and microgravity conditions

• Auteur / Autrice : Esli Trejo Peimbert
• Direction : Catherine Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 22/11/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Roig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Colin, Véronique Roig, Nadia Caney, David Dominique Brutin, Julien Sebilleau, Roberto Zenit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Caney, David Dominique Brutin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravité réduite

Ébullition

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Ebullition convective

Microgravité

Transferts thermique

Taux de vide

Flow boiling

Microgravity

Heat transfer

Void fraction

Résumé

Les écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase sont présents dans les applications terrestres et spatiales avec notamment le contrôle thermique des satellites par boucle diphasique, l’alimentation en propergol des moteurs de fusée et le traitement des eaux usées pour les missions d’exploration spatiale. Des expériences d’ébullition convective dans un tube chauffé avec du HFE7000 ont été menées en écoulement vertical ascendant au sol et en microgravité conditions afin de caractériser les régimes d’écoulements et de mesurer les transferts de chaleur, le taux de vide et les pertes de pression. Les mesures de taux de vide ont permis de caractériser la vitesse moyenne de la phase vapeur et l’épaisseur du film liquide en écoulement annulaire. En microgravité, l’épaisseur du film liquide et le frottement interfacial sont inférieurs aux conditions de gravité terrestre. La structure du film liquide a été caractérisée par des visualisation rapides. L’impact de la gravité, des vitesses superficielles du liquide et de la vapeur sur la célérité et la fréquence des ondes perturbatrices a été mis en évidence. Deux techniques de mesure ont été implémentées et comparées pour la mesure du coefficient d’échange de chaleur. En ébullition convective saturée pour des titres massiques supérieurs à 0.2, le transfert de chaleur est peu sensible à la gravité et en bon accord avec des corrélations de la littérature. En ébullition nucléée sous refroidie pour des titres inférieurs à 0.1, le transfert de chaleur est significativement plus faible en microgravité.

Two-phase flows with or without phase change are present in terrestrial and space applications like thermal control of satellites, propellant supply for launchers, and waste water treatment for space exploration missions. Flow boiling experiment with HFE7000 were conducted in a heated tube in vertical upward flow on ground and in microgravity conditions to collect data on flow patterns, pressure drops, heat transfers, void fraction. Void fraction measurements allowed to measure mean gas velocity and the liquid film thickness in annular flow. In microgravity condition, the liquid film thickness and the interfacial shear stress are significantly lower than in normal gravity. A detail analysis of the film structure was performed by image processing. The impact of gravity and liquid and vapour superficial velocities on the disturbance waves velocities and frequencies was investigated. Two different measurement techniques were used and compared to determine the heat transfer coefficient. For quality values greater than 0.2, HTC is not sensitive to gravity and is in good agreement with classical correlations of the literature. For qualities smaller than 0.1, in the subcooled nucleate boiling regime HTC is significantly smaller in microgravityconditions.