Étude numérique des transferts thermiques diphasique en contact avec une paroi solide

L’utilisation d’un liquide pour refroidir une paroi chauffée est une situation très courante dans la vie quotidienne, à tel point que cela est devenu un réflexe naturel.

On retrouve cette pratique principalement dans l’industrie, notamment avec le refroidissement par spray, où des gouttes d’eau impactent une surface chaude pour la refroidir, ou encore avec le refroidissement par bain liquide, où le liquide extrait l’énergie thermique d’une surface plus chaude. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet ANR DropSurf et, par conséquent, le travail effectué dans cette thèse.

L’un des principaux objectifs de cette thèse a été d’étudier les transferts de matière pendant l’ébullition nucléée à l’aide de simulations numériques directes, dans le but de développer un modèle sous-maille pour le changement de phase. La finalité de ce travail est de réduire significativement le temps de calcul pour l’étude de cas plus complexes, tels que la simulation de l’ébullition multi-bulles en 3D. Ces simulations ont été réalisées à l’aide de l’outil de simulation numérique directe diphasique (DIVA 2), développé à l’IMFT depuis de nombreuses années pour traiter ce type de configurations. De plus, un modèle de croissance des bulles dans un liquide saturé a été développé.

Par ailleurs, l’impact de gouttes sur une paroi solide et chauffée sera directement comparé à des études expérimentales. À cet égard, un modèle d’angle dynamique de type Cox-Voinov a été intégré dans le code. Les paramètres dynamiques, tels que le facteur d’étalement et la hauteur d’étalement, ainsi que les paramètres thermiques comme le flux et la température à la paroi, ont été étudiés. Les simulations, en complément des images infrarouges des expériences, ont mis en évidence la présence d’ondes capillaires à la surface de la goutte, responsables des fluctuations du flux thermique à l’interface en provoquant des ondulations sur le flux à la paroi.

Enfin, la température de la paroi a été considérablement augmentée pour atteindre le régime d’ébullition en film et observer des gouttes lévitant sous une couche de vapeur, dites en régime de Leidenfrost. Cette fois-ci, les effets thermiques ont été relégués au second plan pour se concentrer sur la forme de ces gouttes et sur la manière dont elles se déforment lorsque les conditions ne permettent plus de conserver leur sphéricité.

Title: Numerical study of two-phase flow heat transfer in contact with a solid wall

Key words: Direct numerical simulation, Nucleate boiling, Leidenfrost, Heat transfer, Droplet impact, CFD

Abstract: The use of a liquid to cool a heated surface is a very common situation in daily life, to the point where it has become a natural reflex.

This practice is mainly found in industry, notably with spray cooling, where water droplets impact a hot surface to cool it down, or with liquid bath cooling, where the liquid extracts thermal energy from a hotter surface. It is within this context that the ANR DropSurf project, and consequently the work conducted in this thesis, are situated.

One of the main objectives of this thesis was to study mass transfer during nucleate boiling using direct numerical simulations, with the goal of developing a subgrid model for phase change. The ultimate aim of this work is to significantly reduce the computational time for more complex cases, such as the simulation of multi-bubble boiling in 3D. These simulations were carried out using the direct two-phase numerical simulation tool (DIVA 2), developed at IMFT over many years to handle this type of configuration. Additionally, a bubble growth model in a saturated liquid was developed.

Furthermore, the impact of droplets on a solid and heated wall will be directly compared to experimental studies. In this regard, a Cox-Voinov type dynamic contact angle model was integrated into the code. Dynamic parameters such as the spreading factor and spreading height, as well as thermal parameters like the wall heat flux and temperature, were studied. The simulations, along with infrared images from the experiments, highlighted the presence of capillary waves on the droplet’s surface, which are responsible for fluctuations in the thermal flux at the interface by causing undulations in the wall heat flux.

Finally, the wall temperature was significantly increased to reach the film boiling regime and observe droplets levitating under a vapor layer, known as the Leidenfrost regime. This time, thermal effects were relegated to the background to focus on the shape of these droplets and how they deform when the conditions no longer allow them to maintain their sphericity.

Composition du jury

• M. Guillaume CASTANET, Rapporteur, Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
• M. Stephane ZALESKI, Rapporteur, Institut Jean-Le-Rond-d’Alembert
• M. Julien SEBILLEAU, Examinateur, Institut National Polytechnique de Toulouse
• Mme Annafederica URBANO, Examinatrice, Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace
• M. Christophe JOSSERAND, Examinateur, LadHyx, Ecole Polytechnique
• M. Sebastien TANGUY, Directeur de thèse, Université Toulouse III – Paul Sabatier