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Simulations of heat and mass transfer within the capillary evaporator of a two-phase loop

12 février 2016

Simulations of heat and mass transfer within the capillary evaporator of a two-phase loop

Soutenance de thèse Laetitia Mottet

Sous réserve d’autorisation de soutenance par les rapporteurs

Mardi 23 Février à 14 h 30

Salle Castex rez de chaussée

Résumé :

Le contrôle thermique des composants électroniques embarqués dans les engins spatiaux est souvent assuré par des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire (loop heat pipe (LHP) ou capillary pumped loop (CPL)). La présente étude est centrée sur les évaporateurs des LHP. Ils sont composés principalement d’un bâti métallique, d’une mèche poreuse et de cannelures. Le milieu poreux est initialement saturé en liquide. La charge thermique à évacuer est appliquée sur le bâti entraînant la vaporisation du liquide au sein de la mèche. La vapeur est ensuite récoltée au sein des cannelures pour être évacuée.

L’étude est effectuée sur une cellule unitaire de l’évaporateur. Dans le but d’étudier les transferts de masse et de chaleur, un modèle de réseau de pores 3D dit mixte a été développé. Les champs de pression et de température sont calculés à partir des équations macroscopiques tandis que la capillarité est gérée à l’aide d’une approche réseau de pore classique. L’un des avantages d’une telle formulation est de pouvoir accéder à la répartition des phases liquide et vapeur au sein de l’espace poral du milieu poreux. Il a ainsi été mis en évidence qu’une zone diphasique (zone où le liquide et la vapeur coexiste) se met en place pour une large gamme de flux lorsque la vapeur apparait dans la structure capillaire. Cette zone diphasique est localisée sous le bâti métallique et est corrélée avec les meilleures performances thermiques de l’évaporateur. Cette observation diffère fortement de l’hypothèse souvent considérée de la présence d’une zone sèche dans cette région.

Trois positions différentes de cannelures ont été étudiées. Il a ainsi pu être mis en évidence que la plus large gamme de flux, pour laquelle les performances de l’évaporateur sont les meilleures, sont obtenues lorsque les cannelures sont usinées à la surface extérieure de la mèche. Toujours dans le but d’améliorer les performances thermiques de l’évaporateur, une étude paramétrique a été menée pour mettre en évidence les paramètres qui influencent positivement la conductance de l’évaporateur. Finalement, l’étude de l’influence d’une mèche biporeuse/bidispersée, c’est-à-dire d’un milieu poreux caractérisé par deux tailles de pores/liens différents, a été menée. La distribution des phases liquide et vapeur au sein de la structure capillaire bidispersée est différente de celle d’un milieu mono-poreux du fait des chemins préférentiel créés par les larges pores. Par ailleurs, l’analyse thermique a montré qu’un tel milieu poreux permet de réduire considérablement la température du bâti ainsi que d’augmenter les performances thermiques de l’évaporateur.

Un deuxième modèle basé sur une approche continue a été développé. Cette méthode utilise l’algorithme IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) et est couplé à la résolution du champ de température avec changement de phase. Ce type de résolution permet d’accéder à un champ de saturation. Les résultats ainsi obtenus sont en bon accord avec ceux prédits par le modèle réseau de pores mixte. Le modèle continu, moins gourmand en temps de calcul, permet d’envisager des simulations sur une plus grande partie de l’évaporateur.

Mots-clés : loop heat pipe, évaporateur capillaire, modèle réseau de pores, modèle continu, écoulement diphasique, changement de phase, milieux biporeux.
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The thermal control of electronic devices embedded in spacecraft is often carried out by capillary two-phase loop systems (loop heat pipe (LHP) or capillary pumped loop (CPL)). This thesis focuses on the LHP evaporators. They mostly consist of a metallic casing, a porous wick and vapour grooves. The porous medium is initially saturated with liquid. The heat load is applied at the external surface of the casing inducing the vaporisation of the liquid within the wick. The vapour is then evacuated thanks to the vapour grooves.

A unit cell of the evaporator is studied and corresponds to our computational domain. A so-called 3D mixed pore network model has been developed in order to study the heat and mass transfers. Pressure and temperature fields are computed from macroscopic equations, while the capillarity is managed using the classical pore network approach. The main advantage of such formulation is to obtain the liquid-vapour phase distribution within the porous medium pore space.The work highlights that a two-phase zone (characterized by the coexistence of the liquid and the vapour) exists for a large range of fluxes when vaporisation takes place within the capillary structure. This two-phase zone is located right under the casing and is positively correlated with the best evaporator thermal performances. This result differs from the often made assumption of a dry region under the casing.

Three different grooves location are tested. This investigation highlights that evaporator thermal performances are the best over a large range of fluxes for grooves manufactured at the external surface of the wick. In complement, a parametric study is performed to highlight parameters which impact positively the evaporator thermal performances. Finally, a biporous/bidispersed wick, i.e. a wick with a bimodal pore/throat size distribution, is studied. The liquid-vapour phase distribution within the capillary structure is different from the one for a monoporous structure due to preferential vapour paths created by the large throats and pores-network. Moreover, the thermal analysis shows that such a porous medium permits to reduce considerably the evaporator wall temperature and to increase the evaporator thermal performances.

A second model is developed based on a continuum approach. This method uses the IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) algorithm coupled with the heat transfer with phase change. Results are in good agreement with those predicted by the mixed pore network model. The continuum model, requiring less computing time, should allow considering larger sub domains of the evaporator.

Keywords : loop heat pipe, capillary evaporator, pore network model, continuum model, two phase flow, phase change, bidispersed porous medium.

Yves BERTIN, ENSMA, Institut Pprime, Examinateur

Typhaine COQUARD, Airbus Defence and Space, Invité

Amaury LARUE DE TOURNEMINE, CNES, Invité

Jay OCHTERBECK, Clemson University, Rapporteur

Vincent PLATEL, Université de Pau et des Pays de l’Adour, Rapporteur

Marc PRAT, IMFT, Directeur de thèse

Michel QUINTARD, IMFT, Examinateur

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