Étude des écoulements oscillants à l'intérieur d'un régénérateur de type réticulaire : impact des dimensions internes sur la fréquence de travail

Study of oscillating flow inside a matrix regenerator : impact of internal scale on the operating frequency

• Auteur / Autrice : Benjamin Bataille
• Direction : Nicolas Luchier, Frédéric Ayela, Manuel Medrano Munoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 31/08/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des systèmes basses températures (Grenoble ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Delannoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Medrano Munoz, Nadia Caney, Stéphane Colin, Damien Colombet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Barrot Lattes, François Lanzetta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement laminaire

Dynamique réticulaire

Micro-fabrication

Mots clés libres

Thermique

Combustion

Sciences de l'ingénieur

Energie

Energy

Engineering science

Thermal energy

Combustion

Résumé

Le réfrigérateur à tube à gaz pulsé est une des technologies clés des chaines de refroidissement cryogéniques des satellites cryogéniques. Bien que déjà compacte, il y a un véritable intérêt à réduire la taille de ces réfrigérateurs afin d’optimiser la charge utile des missions spatiales. Le régénérateur est au cœur de la technologie des pulse tubes. Une méthode de miniaturisation prometteuse réside dans l’utilisation des techniques de micro fabrication pour concevoir des échangeurs de type réticulaire de porosité contrôlée. Dans ce contexte, ce travail de thèse porte sur l’étude de réseaux de losanges micro-fabriqués dans des écoulements oscillants à des fréquences entre 20 et 150 Hz. En régime stationnaire, les performances hydrauliques de ces dispositifs sont fonction du coefficient de frottement qui peut être exprimé en fonction de la perte de charge au borne du dispositif et du débit. En régime oscillant (où les conditions de pression et de débit varient de façon sinusoïdale), une relation semblable peut-être dérivée. Une étude soigneuse menée durant cette thèse montre que le déphasage entre la perte de charge et le débit qui augmente avec la fréquence joue également un rôle. La microstructure joue également un rôle sur le coefficient de frottement. Une étude analytique étant trop complexe, nous avons mis en place un banc expérimental dédié à la mesure du nombre de Poiseuille associé au coefficient de frottement au travers de la mesure du débit et de la perte de charge au borne du dispositif. Nous avons fabriqué des échantillons comportant un réseau de piliers en forme de losanges de différentes caractéristiques (dimensions et ouverture angulaire) et de différentes porosités. Ces échantillons ont ensuite été mesurés en régimes stationnaire et oscillant. De façon similaire au régime stationnaire, les résultats en régime oscillant montrent une augmentation du nombre de Poiseuille avec l’angle du losange et de la porosité du dispositif. Les mesures semblent également corroborer l’effet du déphasage sur le nombre de Poiseuille. Cela reste toutefois à confirmer, la plage de déphasage balayée par nos échantillons n’étant pas assez étendue.

The pulse tube cryocooler is one of the key technologies in cryogenic satellite cooling systems. Although compact, there is a real interest to reduce its size to optimize the payload of space missions. The regenerator is at the heart of the pulse tubes technology. A promising miniaturization method lies in the use of micro fabrication techniques to design reticular-type exchangers with controlled porosity. In this context, this thesis work focuses on the study of micro-fabricated diamond-shape arrays in oscillating flows at frequencies between 20 and 150 Hz. In the steady state, the hydraulic performance of these devices is a function of the friction factor that can be expressed as a function of the pressure drop across the device and the flow rate. In the oscillating regime (where the pressure and flow conditions vary sinusoidally), a similar relationship can be derived. A careful study performed during this work shows that the phase shift between the pressure drop and the flow rate, that increases with frequency, also plays a role. The microstructure also plays a role on the friction factor. As an analytical study would be too complex, we set up an experimental bench dedicated to the measurement of the Poiseuille number associated to the friction factor through the measurement of the flow rate and of the pressure drop between the device's ends. We manufactured samples with a network of diamonds-shape pillars of different characteristics (sizes and angular opening) and different porosities. These samples were then measured in the stationary and oscillating regimes. Similar to the stationary regime, the results in the oscillating regime show an increase in the Poiseuille number with the angle of the diamond and the porosity of the device. The measurements also seem to corroborate the effect of the phase shift on the Poiseuille number. However, this remains to be confirmed, as the phase shift range swept by our samples is not large enough.