Transferts de chaleur avec changement de phase

Les transferts de chaleur avec changement de phase sont omniprésents dans les écoulements diphasiques gaz-liquide et les principales applications concernant les travaux de l’équipe sont le secteur aéronautique et aérospatial avec la propulsion des lanceurs, le contrôle thermique des satellites, les phénomènes de givrage et le secteur de l’énergie avec la problématique des accidents nucléaires graves où des phénomènes d’ébullition transitoire très rapides sont observés. Les phénomènes rencontrés sont complexes multi-physiques et multi-échelles. Des études reposant sur des expériences physiques, de la modélisation et de la simulation numérique directe sont menées de manière complémentaire. Les expériences et simulations numériques menées à l’échelle d’une bulle permettent de quantifier finement les transferts à l’interface et leur couplage avec l’hydrodynamique locale. Parallèlement à ces études, des situations plus complexes, proches des problématiques industrielles sont également étudiées notamment sur des phénomènes d’ébullition transitoire.

Ebullition nucléée sur site isolé

L’étude de l’ébullition sur site isolé est réalisée dans le cadre de programmes financés par l’Agence Spatiale Européenne et le CNES à travers le GDR « Microgravité Fondamentale et Appliquée » et des contrats avec le département des Lanceurs du CNES et Air Liquide. La croissance et le détachement d’une bulle isolée en paroi d’un écoulement cisaillé a été étudiée expérimentalement en écoulement horizontal, vertical et en microgravité. Le rayon de détachement de la bulle est généralement prédit à partir d’un bilan des forces sur la bulle pendant sa croissance. Ces forces qu’elles soient statiques (poussée d’Archimède, pression de contact, force capillaire) ou hydrodynamiques (portance, traînée, masse ajoutée) sont largement influencées par la forme de la bulle et donc par les conditions de mouillage du substrat. Ces expériences ont permis de proposer une nouvelle modélisation de la force capillaire. Dans le cadre du programme MANBO (Boiling) de l’ESA en collaboration avec 10 Universités européennes, ces résultats ont conduit au design de l’expérience RUBI qui sera lancée sur la station Spatiale Internationale en juillet 2019.

Ebullition convective transitoire

L’étude de l’ébullition transitoire à fort flux de chaleur est d’un intérêt crucial pour la prédiction des accidents graves dans les centrales nucléaires. Des travaux ont été initiés en 2009 en collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sureté Nucléaire. Un dispositif expérimental original permet de réaliser l’écoulement d’un réfrigérant (fluide de similitude) dans un espace semi annulaire dont le demi cylindre intérieur est constitué d’une fine feuille métallique chauffée par effet Joule avec des taux de chauffe pouvant atteindre 500 K/s, représentatifs des transitoires observés dans les centrales nucléaires dans le cas d’accident de type RIA (Accident d’Insertion de Réactivité). L’évolution de la température de la paroi chauffée est filmée en face arrière à l’aide d’une caméra infrarouge. La distribution du flux de chaleur transmis au fluide est déterminée à l’aide un bilan thermique. Une caméra rapide filme l’écoulement perpendiculairement à la caméra infrarouge. Des diagrammes spatio-temporels des tailles de bulles et flux de chaleur en paroi (Figurexx) sont construits après traitement des images et mettent en évidence le fort caractère inhomogène et transitoire de la phase de déclenchement de l’ébullition, ce qui remet en cause les modèles moyennés établis classiquement pour décrire ce phénomène.

Figure : Diagrammes spatio-temporels de hauteur de bulles et flux de chaleur pariétal au déclenchement d’ébullition. L’apparition de la première bulle correspond au point gris, la ligne blanche continue au nez de la poche de vapeur, la ligne pointillée à la location de la hauteur maximale.