Analyse de la dynamique du film liquide dans un caloduc oscillant

Résumé : Nous étudions expérimentalement le comportement d'un film liquide, dit de Landau-Levich, lorsqu'il s'évapore dans une atmosphère constituée uniquement de sa vapeur.La dynamique de ce type de film est un paramètre-clef qui gouverne le fonctionnement des caloducs oscillant (en anglais PHP - Pulsating Heat Pipes). Les PHP sont des liens thermiques de forte conductance. Les recherches récentes leur attribuent un pouvoir de refroidissement très élevé, ce qui les rend particulièrement convoités par l'industrie. Leur géométrie est simple : il s'agit d'un tube capillaire enroulé en plusieurs branches entre une partie froide (condenseur) et une partie chaude (évaporateur). Le tube est rempli d'un fluide pur diphasique, c'est-à-dire présent sous la forme d'une succession de bulles de vapeur et de bouchons de liquide. Lorsque la différence de température entre l’évaporateur et le condenseur dépasse un certain seuil, les bulles et bouchons commencent à osciller dans le tube, entre les deux parties, ce qui permet au PHP de transférer la chaleur.Notre installation expérimentale représente un PHP dans sa configuration la plus simple, à branche unique. Une interface liquide-vapeur oscille dans un tube de section rectangulaire, et dépose un film liquide à chaque passage. Nous nous intéressons au mécanisme qui permet l'entretien de l'oscillation de l'interface, et fixe sa fréquence. L'équation de mouvement obtenue prend en compte la dissipation visqueuse engendrée par un écoulement oscillant. Dans les modèles actuels de PHP, l'hypothèse d'un écoulement de type Poiseuille est formulée. Or, notre approche montre que l'hypothèse d'un écoulement faiblement inertiel est mieux adaptée, conduit à une dissipation deux fois supérieure.Le dispositif expérimental permet l'observation du film. Une combinaison originale de méthodes optiques permet également de mesurer sa longueur et son épaisseur, et de reconstruire son profil 3D à chaque instant. Nous pouvons suivre l'évolution du film tout au long de sa durée de vie, et ainsi analyser son comportement dynamique. Le film est presque plat (pente inférieure à 0,1°). Sur toute sa longueur, qui est de quelques centimètres, cela correspond à une variation de son épaisseur de moitié, la valeur moyenne étant de 50 microns. Sous l'effet du chauffage, le film se rétracte progressivement. Dès le début de son évaporation, un bourrelet de démouillage est formé sur le pourtour du film, près de la ligne triple. L'apparition de ce bourrelet est caractéristique d'un démouillage visqueux sous conditions de non-mouillage. Ce comportement est surprenant, dans la mesure où nous avons choisi un fluide mouillant parfaitement la paroi en conditions isothermes. A l'échelle nanométrique, au plus près de la ligne triple, l'angle de contact entre le liquide et la paroi est donc très faible. Nous mesurons cependant un grand angle apparent (c'est-à-dire visible à l'échelle millimétrique), qui augmente avec la surchauffe de la paroi. Dès l'augmentation de cet angle, le bourrelet de démouillage se forme, et le film se rétracte. Ce phénomène est expliqué par l'évaporation à l'échelle microscopique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec la théorie développée par d'autres chercheurs.
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Thèse
Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Grenoble Alpes, 2016. Français. 〈NNT : 2016GREAY038〉
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Soumis le : jeudi 20 avril 2017 - 16:27:07
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Laura Fourgeaud. Analyse de la dynamique du film liquide dans un caloduc oscillant. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Grenoble Alpes, 2016. Français. 〈NNT : 2016GREAY038〉. 〈tel-01409530v2〉

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