Study of Hydrodynamics and Heat Transfer in Microchannels
Etude de l'Hydrodynamique et des Transferts de Chaleur dans des Microcanaux
Résumé
This doctoral thesis is devoted to the characterization of hydrodynamics and forced convection heat transfer for single phase liquid flows in micro-ducts. Extensive experiments have been conducted for determining the evolution of the friction coefficient, the heat transfer coefficient and the critical Reynolds number of transition to turbulence in microchannels from 700 µm to 5 µm in height. Local roughening of the microchannel walls has allowed for studying the influence of the surface finish on these three parameters. The findings of this research suggest that novel experimental techniques should be specifically developed for the scales smaller than 500 µm. Innovative silicon-pyrex microsystems composed of a microchannel and two local pressure probes have therefore been constructed. The experimental results show, contrary to previously published reference works, that the conventional laws established for macro-scaled flows pertain to smooth-wall microchannels. The roughness effect is also discussed both from experimental and analytical points of view. This latter analysis is founded on a model relying on the discrete element approach.
L'objectif de cette thèse est de cerner précisément les limites d'application des lois et corrélations classiques de l'hydrodynamique et des transferts thermiques par convection forcée, aux liquides en simple phase dans des conduites de très faible diamètre hydraulique. Pour ce faire, des campagnes expérimentales portant sur le coefficient de frottement, le coefficient d'échange de chaleur et le nombre de Reynolds critique de transition à la turbulence ont été conduites dans des microcanaux de hauteur comprise entre 700 µm et 5 µm, parcourus par de l'eau,. Des techniques de texturation locale des parois ont permis de mesurer l'influence de l'état de surface sur les trois caractéristiques précédemment citées. Les résultats de ces recherches suggèrent qu'une métrologie spécifique doit être développée pour obtenir des données fiables aux échelles inférieures à 500 µm. Des microsystèmes silicium-pyrex intégrant un microcanal et deux capteurs de pression à jauges de contrainte ont été réalisés dans ce but. Les résultats expérimentaux obtenus montrent que, contrairement à des travaux bibliographiques de référence, la réduction de la dimension interne d'une conduite lisse ne remet pas en cause les évolutions classiquement rencontrées aux échelles conventionnelles. D'autre part, l'effet de la rugosité est discuté à partir de résultats expérimentaux et d'un modèle analytique basé sur la méthode aux éléments discrets.
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