Etude de l’ébullition sur des parois structurées

Study of boiling on textured surfaces

• Auteur / Autrice : Yohann Jaunet
• Direction : Catherine Colin, Julien Sebilleau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Inscription en doctorat le 07/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : N7 Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse

Mots clés

Mots clés libres

Ebullition convective

Transfert thermique

Thermographie infrarouge

Flow boiling

Heat transfer

Infrared thermography

Résumé

Les écoulements diphasiques avec ébullition sont présents dans de nombreuses situations industrielles : production de vapeur dans les générateurs pour produire de l’électricité, refroidissement de composants électroniques dans les ordinateurs et data centers… La modélisation des transferts de chaleur en régime d’ébullition nucléée est encore une difficulté majeure. Les modèles mécanistiques les plus avancés permettent de prendre en compte les différents types de transferts de chaleur liés à la vaporisation des bulles, au remouillage de la paroi après le départ des bulles et à la convection entre les sites de nucléation. Ces contributions peuvent à présent être quantifiées expérimentalement et numériquement grâce aux récents progrès des moyens expérimentaux et numériques. La modélisation de ces différentes contributions nécessite une bonne prédiction du diamètre de détachement des bulles, de leur fréquence de formation et de la densité des sites de nucléation, c’est à dire le nombre de bulles qui vont se former sur la paroi. L’originalité de ce travail de thèse faisant partie du projet ANR TraTHI (Transfert Thermique aux Interfaces) réside dans le contrôle de la densité de sites activés. Dans le cadre du projet ANR, une collaboration avec l’équipe de recherche de l’Université de Ljubljana en Slovénie, partenaire du projet et spécialiste de la structuration des surfaces par laser ou traitement chimique, va permettre de produire des surfaces avec un contrôle des endroits où les bulles de vapeur vont être générées. Après conception et qualification d’un dispositif d’ébullition convective, des mesures seront réalisées dans un premier temps sur des bulles isolées, afin d’étudier la dynamique de croissance et de détachement d’une bulle de vapeur ainsi que le flux de chaleur transféré par la paroi. Des modélisations hydrodynamiques et thermiques à l’échelle de la bulle seront développées. Ensuite, des interactions entre plusieurs sites de nucléations et plusieurs bulles sur la paroi seront étudiées afin d’améliorer les lois de fermetures des modèles de partition de flux de chaleur dans différentes configurations. Ces travaux seront menés en collaboration avec les partenaires de l’ANR TraThI : l’Université de Ljubjiana pour la structuration des surfaces et les analyses par Thermographie Infrarouge, le FEMTO-ST pour les mesures par micro-thermocouples, l’IUSTI pour l’analyse comparatives de données obtenues en ébullition en vase et convective.

Two-phase flows with boiling are present in many industrial situations: steam production in generators to produce electricity, cooling of electronic components in computers and data centres, etc. Modelling heat transfers in the nucleate boiling regime is still a major difficulty. The most advanced mechanistic models make it possible to take into account the different types of heat transfers linked to the vaporisation of bubbles, the rewetting of the wall after the departure of bubbles and the convection between nucleation sites. These contributions can now be quantified experimentally and numerically thanks to recent advances in experimental and numerical methods. The modelling of these different contributions requires a good prediction of the bubble detachment diameter, the frequency of bubble formation and the density of nucleation sites, i.e. the number of bubbles that will form on the wall. The originality of this thesis work, which is part of the ANR TraTHI (Heat Transfer at Interfaces) project, lies in the control of the density of activated sites. Within the framework of the ANR project, a collaboration with the research team of the University of Ljubljana in Slovenia, a partner in the project and a specialist in the structuring of surfaces by laser or chemical treatment, will make it possible to produce surfaces with control over the places where the vapour bubbles will be generated. After the design and qualification of a flow boiling setup, measurements will first be carried out on isolated bubbles, in order to study the growth and detachment dynamics of a vapour bubble as well as the heat flow transferred through the wall. Hydrodynamic and thermal modelling at the bubble scale will be developed. Then, interactions between several nucleation sites and several bubbles on the wall will be studied in order to improve the closure laws of heat flux partition models in different configurations. This work will be carried out in collaboration with the partners of the ANR TraThI: the University of Ljubjiana for the structuring of the surfaces and the analyses by Infrared Thermography, the FEMTO-ST for the measurements by micro-thermocouples, the IUSTI for the comparative analysis of data obtained in pool and convective boiling.