Institut National Polytechnique de Toulouse INP Toulouse

De
Publié par

Niveau: Supérieur

  • mémoire


Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse) Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP) Étude de l'ébullition sur plaque plane en microgravité, application aux réservoirs cryogéniques des fusées Ariane V vendredi 18 décembre 2009 Olivier Kannengieser Énergétique et Transferts Pr. Olivier Simonin (président du jury) Pr. Cees W.M. Van Der Geld (rapporteur) Pr. Lounès Tadrist (rapporteur) Pr. Peter Stephan (membre) Dr. Benjamin Legrand (membre) Catherine Colin Wladimir Bergez Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), groupe Interface Pr. Catherine Colin (directrice de thèse) Dr. Wladimir Bergez (codirecteur de thèse)

  • discus- sions scientifiques enthousiasmantes

  • réelle source d'inspiration

  • goût de la recherche

  • centre national de la recherche scientifique

  • application aux réservoirs cryogéniques des fusées ariane

  • application aux réservoirs cryogéniques

  • cnes


Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 228
Voir plus Voir moins

Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Énergétique et Transferts
Olivier Kannengieser
vendredi 18 décembre 2009
Étude de l'ébullition sur plaque plane en microgravité, application aux
réservoirs cryogéniques des fusées Ariane V
Pr. Olivier Simonin (président du jury)
Pr. Cees W.M. Van Der Geld (rapporteur)
Pr. Lounès Tadrist
Pr. Peter Stephan (membre)
Dr. Benjamin Legrand
Pr. Catherine Colin (directrice de thèse)
Dr. Wladimir Bergez (codirecteur de thèse)
Mécanique,Energétique,GénieciviletProcédés(MEGeP)
Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), groupe Interface
Catherine Colin
Wladimir BergezÉtude de l’ébullition sur plaque
plane en microgravité, application
aux réservoirs cryogéniques des
fusées Ariane V
Olivier Kannengieser
18 Décembre 2009Remerciements
Je commence par ma directrice de thèse (j’ai aussi un directeur de thèse),
Catherine Colin. Avec elle, j’ai découvert une légère nuance au mot « diriger ». Ce
mot semblait aller de pair avec une notion de forçage. Avec Catherine, le mot
directeur m’est apparu plus proche de sa racine latine director, « celui qui guide».
En effet, tout au long de ma thèse, Catherine a été très présente et m’a
subtilement aiguillé, m’orientant sans jamais imposer, me permettant ainsi d’avancer
sans perdre l’assurance nécessaire à la créativité. Pour ces raisons, pour m’avoir
offert l’opportunité de réaliser cette thèse, qui, portant sur le thème de l’espace,
m’a permis de m’approcher d’une passion que j’ai depuis la plus tendre enfance,
et pour bien d’autres raisons, je te remercie Catherine.
Ensuite, mon directeur de thèse, Wladimir Bergez. J’ai apprécié les
discussions scientifiques enthousiasmantes, les éclaircissements sur certaines questions,
les points de vue légèrement différents des miens permettant de créer une vue
stéréographique des problèmes. Wladimir, je te remercie.
Je remercie Cees van der Geld et Lounès Tadrist, rapporteurs de ce mémoire,
qui ont pris le temps de lire avec une attention certaine ce rapport, de s’intéresser
à mon travail et d’offrir un point de vue très enrichissant sur le sujet. Je remercie
Olivier Simonin, le président de mon jury, qui fut aussi mon maître de stage de
master, qui a assuré mon goût pour la recherche me permettant d’aborder le sujet
de ma thèse avec enthousiasme et qui m’a offert le plaisir et l’honneur sincère
d’être le président de mon jury de thèse.
Merci à Peter Stephan qui fut membre du jury qui a apporté lors de la soutenance
des points de vue très intéressants. Il en va de même pour Cees van der Geld. Je
les remercie aussi pour les idées et les raisonnements partagés lors de réunions ou
de discussion qui ont fait avancer ma compréhension de l’ébullition et furent une
réelle source d’inspiration.
Je remercie aussi Benjamin Legrand, membre du jury et mon responsable au
1CNES , qui a offert son appui pour la réalisation des diverses expériences.
2Ma gratitude se porte aussi envers trois organismes : le CNES, le CNRS et
3l’ESA . Le CNES qui a cofinancé ma thèse et offert diverses opportunités de vols
paraboliques. Le CNRS qui a cofinancé la thèse avec le CNES. L’ESA qui a organisé
et a financé l’expérience Source qui s’est déroulée en fusée-sonde. Je remercie
1. Centre national d’études spatiales
2. Centre national de la recherche scientifique
3. European SPace Agency
iii4aussi l’IMFT , dont le groupe Interface, laboratoire au sein duquel j’ai réalisé ces
5 6travaux, ainsi que l’INPT et MEGEP , les écoles auxquelles j’étais rattaché
7en tant que doctorant. Je remercie aussi le groupe COMPERE , organisateur
des recherches sur le comportement des ergols en microgravité. En remerciant ces
organismes, je remercie les personnes qui en sont membres.
Je m’attarderai sur l’IMFT, mon laboratoire d’accueil, qui est plus proche de
moi. Je citerai quelques-unes des personnes qui par leur travail acharné et leur
passion permettent le bon fonctionnement du laboratoire. Je remercie donc les
deux directeurs successifs du laboratoire, Olivier Simonin et Jacques Magnaudet.
Je remercie ainsi les membres de l’administration et les personnes responsables de
la vie associative et de la communication dans le laboratoire et les membres des
divers services. Au sein du groupe interface, je remercie les responsables successifs,
Jacques Magnaudet, François Charru et Dominique Legendre. Je remercie aussi
Marie Hélène (la secrétaire du groupe) qui m’a apporté son soutiens dans les
démarches administratives.
La construction de mes expériences a tiré partie des compétences du groupe
ainsi que des services mutualisés du laboratoire. Je remercie dans cette partie
les principaux acteurs de cette réalisation. Je remercie les membres de l’atelier,
Laurent Mouneix (qui a construit la plus grande partie des pièces de la ’manip´),
Jean-Marc Sfedj (le chef) et Jean-Pierre Escafit. Je remercie Hervé Eyroles, du
service signaux et images, qui a conçu et a construit des systèmes électroniques.
Avec ce dernier nous avons travaillé sur la conception de microéléments
chauffants et d’un circuit de contrôle en température qui, théoriquement, doit être très
précis (et le sera), mais dont la description ne rentre malheureusement pas dans
ce rapport de thèse. Je remercie aussi Sébastien Cazin„ ingénieur de recherche du
service signaux et images, en charge de la visualisation sur les expériences. Ensuite
au sein du groupe, je remercie le nouvel ingénieur en mécanique, Grégory Ehses,
et l’ancien technicien, Jean Baptiste Mot. Je remercie aussi Ludovic Thiriet
(stagiaire), pour son travail effectué sur le rapport de sécurité des vols paraboliques.
Je remercie aussi Didier Joset qui a étudié en détail et perfectionné les circuits de
contrôle des micros éléments chauffants. Je remercie aussi Cédric (doctorant) pour
son aide gratuite lors de la construction de la seconde manip vol parabolique ainsi
que les autres expérimentateurs du Hall Bouasse.
8Pour l’expérience SOURCE , je remercie toutes les personnes ayant réalisé sa
conception, sa construction, sa mise au point et ayant organisé le lancement de
la fusée ou établi le projet. Pour le travail effectué avant pendant et après le
9lancement de la fusée sonde, je remercie : Maria Ângerman (SSC ), Philipp Behruzi
4. Institut de mécanique des fluides de Toulouse
5. nationale polytechnique de T
6. Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
7. Comportement des Ergols dans les Réservoirs
8. Sounding rocket compere experiment
9. Swedish Space Corporation
iv10(Astrium), Michaël Dreyer (ZARM) , Gunnar Florin (SSC), Eckart Fuhrmann
(ZARM), Wolfgang Herfs (ESA), Kenneth Loth (SSC), Michael Lundin (SSC),
Olivier Minster (ESA), Balazs Toth (ESA) et Alf Vaerneus (SSC).
Je remercie aussi Jérôme Lacapère (Air Liquide), entre autres raisons, pour les
données sur l’ébullition de l’oxygène liquide présentées dans cette thèse.
Enfin, je remercie ma famille, ma mère, mon père, mon frère, ma soeur et mon
amie pour le soutien inconditionnel qui m’ont apporté. Pour ces mêmes raisons, je
remercie mes amis qui, je sais, n’ont pas besoin d’être cités pour se reconnaître en
cette qualité.
Je vais citer ici les personnes avec qui j’ai passé du temps dans le laboratoire
lors des repas et pauses café, dans le hall expérimental. Les remercier ici ferait
perdre son sens à ce mot que j’ai utilisé, car ils n’ont pas directement participé à
ce travail. Néanmoins, je les cite ici comme une preuve que malgré le fait qu’ils
n’aient pas été cités précédemment, je ne porte pas moins envers eux une
considération respectueuse et amicale (Certains ont déjà été cités) : Roberta, Sylvain,
Zouhir, Brian, Kader, Patricia, Emmanuela, Pascal, Irène, Erick, Serge, Agathe,
Marco, Cédric, Nicolas, Lucia, Antoine, Véronique, Benjamin, Frédéric, Max,
Philippe, Pauline, David, Sébastien, Romain, Christophe, Damien, Manelle, Vincent,
Mélanie et les autres personnes que j’ai oubliées dans cette liste.
Je remercie aussi Arthur Konan N’Dri, pour le travail que nous avons continué
sur mon sujet de Master.
10. Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation
vTable des matières
Nomenclature xvii
Introduction 3
1. Revue bibliographique 7
1.1. Rappel sur l’ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1. Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2. Régimes d’ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3. Ébullition nucléée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.4. Corrélations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2. Historique de l’ébullition en microgravité . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. Compensation de la pesanteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2. Moyens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4. Les expériences d’ébullition en microgravité . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Régimes d’ébullition nucléée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1. Bulle primaire détachée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2. Bulle attachée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.3. Multiples bulles primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.4. Sans bulle primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.5. Facteurs déterminant les quatre régimes . . . . . . . . . . . 21
1.5.6. Conclusion sur les régimes d’ébullitions nucléée . . . . . . . 22
1.6. Transfert thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.1. Influence de la gravité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.2. de la pression et du sous refroidissement . . . . . . 24
1.6.3. Influence de la gravité dans les corrélations . . . . . . . . . . 25
1.7. Mécanismes de transferts thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.1. Mécanismes primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.7.2. secondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.8. Influence des gaz incondensables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.9. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I. Ébullition sur plaque plane en microgravité d’un liquide
viiTable des matières
dégazé 31
2. Dispositif expérimental 33
2.1. Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2. Cellule d’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1. Élément chauffant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2. Évaluation de la résistance thermique entre le thermocouple
interne et la surface externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3. Température dans le liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.4. Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3. Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4. Contrôle du fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1. Circuit fluide de la campagne de vols VP65 CNES . . . . . . 46
2.4.2. fluide de la de vols VP75 . . . . . . 48
2.5. Mode opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.1. Vol parabolique dans l’airbus A300–0g . . . . . . . . . . . . 49
2.5.2. Campagne de vols paraboliques VP65 CNES . . . . . . . . . 49
2.5.3. de vols parab VP 75 . . . . . . . . 50
2.5.4. Campagnes au sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3. Résultats expérimentaux 53
3.1. Comportement de l’ébullition au cours des paraboles . . . . . . . . 54
3.1.1. Régime thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2. Comportement de l’ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3. Influence de l’accélération résiduelle sur le transfert thermique 59
3.1.4. Température dans le liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2. Mesures moyennées sur la période de microgravité . . . . . . . . . . 66
3.2.1. Courbes d’ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2. Profils de température dans le liquide . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.3. Couche de liquide surchauffée . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.4. Influence de la pesanteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3. Comparaison avec l’ébullition en pesanteur terrestre . . . . . . . . . 83
3.3.1. Comportement de l’ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.2. Courbes d’ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.3. Couche de liquide surchauffée . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3.4. Comparaison des expériences en vol parabolique et
expériences en pesanteur terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4. Élément chauffant poli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.1. Influence de la nucléation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.2. du sous-refroidissement . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.3. Influence de la pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4.4. de la rugosité de paroi . . . . . . . . . . . . . . . . 98
viii

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.

Diffusez cette publication

Vous aimerez aussi