Étude expérimentale sur l'hydrodynamique et le transfert thermique de l'ébullition nucléée
Soutenance de thèse Yohann Jaunet
Jeudi 2 avril à 10 h 00 – Amphithéâtre Nougaro
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 et du traitement chim-ique, a permis de produire des surfaces avec un contrôle des endroits où les bulles de vapeur sont générées. Un banc expérimental d’ébullition en vase a été conçu afin d’étudier l’ébullition nucléée sur une paroi métallique fine à l’aide d’enregistrements réalisés à l’aide deux caméras rapides dans le visible pour observer la croissance des bulles et dans l’infrarouge pour mesurer la température de paroi.
Les études réalisées ont mis en exergue l’importance de la couche limite thermique dans la nucléation, la croissance et le diamètre de détachement des bulles de vapeur isolées. Une étude sur les taux de croissance a été réal-isée montrant un accord avec une tendance en exponentielle négative. Les diamètres de détachement et échelles de temps caractéristiques : temps de croissance et temps d’attente sont comparés à des modèles de la littérature. La partition du flux de chaleur en différentes contributions est réalisée sur des expériences avec une bulle unique, puis dans une configuration avec des bulles multiples, apportant de nouvelles informations pour mieux comprendre les différents échanges de chaleur induits par l’ébullition et proposer de nouvelles modélisations.
Un travail a été aussi réalisé pour pouvoir réaliser des études similaires dans un contexte d’ébullition convective. Un banc d’essai a été conçu et calibré, et une étude de dynamique de bulle en environnement adiabatique a été réalisée, montrant l’existence d’un angle d’avancée critique déclenchant le détachement des bulles.
Abstract:
Two-phase flows with boiling occur in many industrial applications, such as steam production in generators for electricity generation and the cooling of electronic components in computers and data centres. The modelling of heat transfer in the nucleate boiling regime remains a major challenge.
The most advanced mechanistic models are able to account for the different heat transfer mechanisms associated with bubble evaporation, wall rewetting after bubble departure, and convection between nucleation sites. These con-tributions can now be quantified experimentally and numerically thanks to recent advances in experimental and numerical techniques. Modelling these different contributions requires accurate predictions of the bubble departure diameter, the bubble formation frequency, and the density of nucleation sites,i.e. the number of bubbles forming on the heated wall.
The originality of this PhD work, carried out within the ANR TraTHI project (Heat Transfer at Interfaces), lies in the control of the density of activated nu-cleation sites. Within the framework of the ANR project, a collaboration with the research team from the University of Ljubljana in Slovenia, a project part-ner specialising in laser surface structuring and chemical treatments, made it possible to produce surfaces with controlled locations for vapour bubble generation. A pool boiling experimental facility was designed to investigate nucleate boiling on a thin metallic wall using recordings from two high-speed cameras: one operating in the visible range to observe bubble growth, and one in the infrared range to measure the wall temperature.
The studies carried out highlighted the importance of the thermal bound-ary layer in the nucleation, growth, and departure diameter of isolated vapour bubbles. A study of growth rates was performed, showing agreement with a negative exponential trend. Bubble departure diameters and characteris-tic time scales—namely growth time and waiting time—are compared with models from the literature. Heat flux partitioning into different contributions is performed first for single-bubble experiments and then for configurations
involving multiple bubbles, providing new insights to improve the under-standing of heat transfer mechanisms induced by boiling and to propose new modelling approaches.
Additional work was also carried out to enable similar studies in a convective boiling context. An experimental setup was designed and calibrated, and a study of bubble dynamics in an adiabatic environment was conducted, demonstrating the existence of a critical advancing angle that triggers bubble detachment.
Composition du jury
M. Lounès Tadrist, Rapporteur, Université d’Aix-Marseille
Mme Marie-Christine Duluc, Rapporteure, Conservatoire National des Arts et Métiers
M. François Lanzetta, Examinateur, Université Marie et Louis Pasteur
M. Frédéric Lefèvre, Examinateur, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
M. Nicolas Baudin, Examinateur, Polytech Nantes
M. Matevz Zupancic, Examinateur, University of Ljubljana
Mme Catherine COLIN, Directrice de thèse, Institut National Polytechnique de Toulouse
M. Julien Sebilleau, Co-directeur de thèse, Institut National Polytechnique de Toulouse