Simulation numérique d’une boucle biphasique gravitaire par la méthode Volume-of-Fluid

Numerical Simulation of a Two-Phase Loop Thermosyphon Using the Volume-of-Fluid Method

• Auteur / Autrice : Julien Caner
• Direction : Etienne Videcoq, Manuel Girault, Adel Mustafa Benselama
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 05/02/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Canet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Sartre, François-Xavier Demoulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Thermosiphons

Refroidissement passif

Lois de conservation (physique)

Écoulement gaz-liquide

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Boucle diphasique gravitaire

Changement de phase liquide-vapeur

Two-phase loop thermosyphon

Liquid-vapor phase change

Résumé

L’avancée remarquable de l’électronique de puissance s’est accompagnée de la miniaturisation des systèmes, nécessitant un refroidissement très performant. Une des solutions consiste à utiliser des boucles fluides diphasiques, dans lesquelles le transfert de chaleur est associé au changement d’état du fluide. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’écoulement diphasique à phases séparées dans une boucle diphasique gravitaire. L’interface en mouvement est capturée par la méthode Volume-of-Fluid. Parmi les différents modèles de changement de phase disponibles dans la littérature, nous avons choisi d’utiliser un modèle hybride : un modèle de sous-maille pour générer le changement de phase à la paroi en absence d’interface résolue, et un modèle d’interface résolue pour le changement de phase aux interfaces liquide-vapeur déjà formées. Ces modèles ont été implémentées dans le code de calcul OpenFOAM. Le solveur développé permet la simulation d’un écoulement diphasique compressible laminaire avec changement de phase liquide-vapeur diabatique. Les transferts de chaleur couplés entre la paroi solide et le fluide sont également pris en compte. Les simulations numériques 2D montrent que le solveur développé est capable de reproduire les régimes d’écoulements obtenus expérimentalement, tels que la formation de bulles de Taylor et la propulsion de liquide de l’évaporateur vers le condenseur lors de l’ébullition en geyser. Il s’agit également d’étudier l’influence de la densité de flux apportée à l’évaporateur et du taux de remplissage sur les régimes d’écoulement et les performances de la boucle.

The significant progress made in power electronics has been tied with the miniaturisation of systems, requiring high-performance cooling devices. One possible solution involves the use of two-phase loops, in which heat transfer is associated with the phase change of the working-fluid. This thesis aims at modeling a two-phase flow with separated phases in a gravity driven two-phase loop. The Volume-of-Fluid method is employed to capture the moving interface. Among the various phase change models available in the literature, we have chosen to employ a hybrid model : a subgrid-scale model to generate phase change at the wall in the absence of an interface, and a resolved interface model for phase change at pre-existing liquid-vapor interfaces.These models have been implemented in the OpenFOAM computational code. The developed solver allows us to simulate compressible laminar two-phase flow with diabatic liquid-vapor phase change. Conjugate heat transfer between the wall and the fluid is also taken into account.Two-dimensional numerical simulations demonstrate that the developed solver is capable of reproducing remarkably wemmflow regimes obtained from experiments, including the formation of Taylor bubbles and the propulsion of liquid from the evaporator to the condenser during geyser boiling. Furthermore, this study examines how the heat flux applied to the evaporator and the filling ratio affect flow regimes and the two-phase loop performance.