Direct Numerical Simulation of Nucleate Boiling in Microgravity

La prédiction des transferts de chaleur en ébullition nucléée est un problème ouvert. La CFD permet des simulations a échelle industrielle, mais nécessite des modélisations de ces transferts. Aujourd’hui, les modèles les plus élaborés sont basés sur une partition du flux de chaleur entre chaleur latente due à la vaporisation des bulles et chaleur sensible due au transfert direct de la chaleur vers la phase liquide. Ils nécessitent cependant une bonne prédiction des taux de croissance des bulles et de leur diamètre de détachement, qui peut être obtenue par simulation DNS. C’est ce que l’on propose de faire dans cette thèse.

En DNS, les coûts de calculs pour des simulations à échelle industrielle étant très importants, les calculs sont réalisés sur des bulles uniques en vue d’enrichir la modélisation pour des simulations de type RANS à grande échelle. Développé à l’IMFT, le code DIVA permet de simuler la croissance de bulle en régime de ligne de contact et de micro-couche. Néanmoins, l’étude détaillée des phénomènes de ligne de contact, point d’accroche de l’interface de la bulle à une paroi surchauffée, nécessite une attention particulière. Appelée micro-région, elle est le siège de flux de chaleur très importants, et de fortes variations de la courbure de l’interface. Plusieurs modèles semi-analytiques existent pour l’appréhender. Mais à l’heure actuelle, les simulations DNS ne permettent pas de prendre en compte l’intégralité des effets décrits par ces modèles. Dans le cadre de ce travail, un couplage entre ces différentes échelles est proposé.

Un travail numérique a été effectué afin d’établir un couplage implicite d’un modèle de micro-région avec la DNS. Celui-ci est présenté de manière générique, et peut être fait peu importe le modèle de micro-région choisi. La convergence des résultats est démontrée, en comparaison avec l’expérience RUBI, développée pour l’étude de l’ébullition sur site isolé en microgravité à bord de la station spatiale internationale. Le dispositif permet la mesure de la température de paroi et des flux de chaleur locaux par thermographie infrarouge. Ces mesures sont synchronisées avec des visualisations de la croissance des bulles par caméra rapide. Le couplage, associé au modèle de micro-région idoine a permis une large amélioration des prédictions de croissance de bulle.

Par la suite, l’étude des transferts de chaleur entre une paroi surchauffée et un fluide en microgravité a été effectuée. En l’absence de gravité, la bulle reste accrochée à sa paroi et la croissance peut être observée plus facilement. Ainsi, cette étude permet une meilleure compréhension des paramètres impactant le modèle de micro-région, et leur meilleure prise en compte dans la prédiction des taux de croissance de bulles. La physique en jeu à micro- échelle à la ligne de contact est également mieux maîtrisée.