En vue de l'obtention du

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Energétique et Transferts JURY Yves Bertin Professeur à l'ENSAM (Institut Pprime LET) Président Vincent Platel MCF à l'Université de Pau (LaTEP) Rapporteur Frédéric Lefevre Professeur à l'INSA Lyon (CETHIL) Rapporteur Marc Prat Directeur de recherches au CNRS (IMFT) Directeur de thèse Tarik Kaya Professeur à l'Univ. de Carleton Canada Membre Stéphane Launay MCF à Polytech Marseille (IUSTI) Membre Amaury LarueDeTournemine Ingénieur au CNES Membre Vincent Dupont Ingénieur chez EHP Membre Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP) Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) Directeur(s) de Thèse : Marc Prat Présentée et soutenue par Clément LOURIOU Soutenue le 13 Décembre 2010 Modélisation instationnaire des transferts de masse et de chaleur au sein des évaporateurs capillaires

  • poche de vapeur

  • pressurisation du fluide envahisseur

  • vapeur par vaporisation en milieu poreux

  • dynamique de croissance

  • réseaux de pores - diphasique

  • chaleur dans les mèches poreuses des boucles fluides


Publié le : mercredi 1 décembre 2010
Lecture(s) : 146
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 291
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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Energétique et Transferts

Présentée et soutenue par

Clément LOURIOU

Soutenue le 13 Décembre 2010

Modélisation instationnaire des transferts de masse et de chaleur au sein
des évaporateurs capillaires




JURY

Yves Bertin Professeur à l’ENSAM (Institut Pprime LET) Président
Vincent Platel MCF à l’Université de Pau (LaTEP) Rapporteur
Frédéric Lefevre Professeur à l’INSA Lyon (CETHIL) Rapporteur
Marc Prat Directeur de recherches au CNRS (IMFT) Directeur de thèse
Tarik Kaya Professeur à l’Univ. de Carleton Canada Membre
Stéphane Launay MCF à Polytech Marseille (IUSTI) Membre
Amaury LarueDeTournemine Ingénieur au CNES Membre
Vincent Dupont Ingénieur chez EHP Membre


Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP)
Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)
Directeur(s) de Thèse : Marc Prat
C. Louriou


Remerciements


Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse, Marc Prat pour le temps et la
patience qu’il m’a accordé pendant ces années de thèse. Son encadrement et sa disponibilité
m’ont permis de réaliser ce travail dans des conditions idéales. L’aide et les conseils qu’il m’a
apporté m’ont familiarisé avec la recherche scientifique.
Je souhaite également remercier tout particulièrement mon second encadrant, Amaury
LarueDeTournemine pour sa confiance depuis mon stage de fin d’études jusqu’à la fin de ma
thèse.
Mes remerciements s’adressent aussi à Vincent Platel et Frédéric Lefevre qui m’ont fait
l’honneur d’examiner et d’évaluer mon travail. Leurs remarques et conseils ont été
constructifs. Je remercie également Yves Bertin d’avoir présidé le jury ainsi que Tarik Kaya,
Stéphane Launay, Vincent Dupont et Typhaine Coquard qui ont accepté de participer à
celuici.
Je remercie tous les membres du groupe GEMP de l’IMFT pour leur accueil, en
particulier Manuel Marcoux et Paul Duru pour leurs aides et conseils sur les dispositifs
expérimentaux que j’ai eu à réaliser. Je tiens à y associer Lionel Lefur, technicien du groupe,
grâce à qui ces travaux expérimentaux ont pu être menés à bien dans les meilleures conditions
possibles.
Je remercie très chaleureusement tous les doctorants et post-doctorants du groupe
(anciens, présents et nouveaux) pour ces trois bonnes années passées en leur compagnie qui
fût toujours très agréable.
Je remercie ma famille pour m’avoir soutenu jusqu’à la toute fin de mes études.
Je remercie mon frère, Benoît (ça fera 2 !).
Enfin, je remercie Amandine pout tout.








iC. Louriou





























iiC. Louriou


Résumé

Dans ce travail, nous nous intéressons à la dynamique de croissance d'une poche de
vapeur par vaporisation en milieu poreux, en relation avec l'analyse des transferts couplés de
masse et de chaleur dans les mèches poreuses des boucles fluides diphasiques à pompage
capillaire. Nous proposons un modèle pour les régimes transitoires, régimes encore très mal
compris en dépit de leur grande importance pratique (phase de démarrage, variations de
puissance, etc.). Une approche de type "réseau de pores" est adoptée et permet de prédire la
distribution des phases à l’échelle de l’espace des pores.
Dans une étape préliminaire, une étude spécifique de drainage (déplacement d’un fluide
mouillant par un fluide non mouillant) par pressurisation du fluide envahisseur est abordée.
Cette étape, nécessaire au développement et au test d’un algorithme de croissance de poche de
gaz, permet de valider le modèle hydrodynamique quantitativement par une étude
expérimentale dédiée. Il est mis en évidence le rôle des films liquides et de la compressibilité
du gaz.
Le modèle est ensuite complété par l’ajout des transferts thermiques et du changement
de phase. Ici encore, une étude expérimentale dédiée est proposée, afin de valider l'outil
numérique mis en place. Enfin, un ultime ajout au modèle permet de prendre en compte les
phénomènes particuliers liés à l’imbibition (déplacement d’un fluide non mouillant par un
fluide mouillant). Des résultats statistiques concernant la réponse dynamique d’une poche de
vapeur à l’application d’une densité de puissance sont présentés, ainsi que certaines situations
oscillantes dans la mèche poreuse. Nous finissons par discuter de l’influence du re-mouillage
de la mèche poreuse, phénomène qui entraîne une hystérésis significative.

Mots clés : Boucle fluide diphasique à pompage capillaire - Milieu poreux – Changement de
phase – Capillarité – Thermique – Réseaux de pores - Diphasique


iii C. Louriou

ivC. Louriou


Abstract

We study the dynamic of a vapour pocket growing by vaporisation in a porous medium,
in relation with the analysis of coupled heat and mass transfers in the porous wick of loop
heat pipes (LHP). We propose a model for transient modes, which are still poorly understood
in spite of their importance (start-ups, power transitions, etc.). This work is based on a pore
network approach enabling us to predict the phase distribution at the pore space scale.
In a preliminary step, a study of drainage (displacement of a wetting fluid by a non
wetting one) by pressurisation of the invading fluid is performed. This step is necessary for
the development and the test of the vapour pocket growing algorithm. A quantitative
validation of the hydro-dynamical model is obtained thanks to a dedicated experimental study.
The influence of liquid films as well as gas compressibility is investigated.
Our model is then improved to deal with heat transfer and phase change. Again, a
dedicated experimental study is performed in order to validate the numerical tool. The model
is finally improved a last time to deal with the effects due to imbibition mechanisms
(displacement of a non wetting fluid by a wetting one). Statistical results concerning the
dynamic response of a vapour pocket to the application of a power density are presented, and
some specific oscillating situations in the wick are identified. We finish discussing the
influence of the re-wetting of the porous wick, a phenomenon which induces a significant
hysteresis effect.

Key words: Loop heat pipe – Porous media – Phase change – Capillarity – Heat sciences –
Pore network models – Two phase


vC. Louriou

viC. Louriou Sommaire



Table des matières





INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................ - 1 -



Partie 1 : Les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire, principe et
modélisation

CHAPITRE I ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES - 11 -
I.1 Les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire ........................................ - 11 -
I.2 L’évaporateur capillaire ...................................................................................... - 20 -
I.3 Transferts de chaleur et de masse avec changement de phase en milieu poreux - 25 -
I.4 Conclusion ........................................................................................................... - 30 -
CHAPITRE II MODELISATION STATIONNAIRE D’UNE LHP PAR UNE
APPROCHE MIXTE NODALE / RESEAU DE PORES - 31 -
II.1 Influence de la boucle sur l’évaporateur capillaire ............................................. - 31 -
II.2 Modèle mixte nodal/réseau de pores ................................................................... - 35 -
II.3 Flux thermique parasite ....................................................................................... - 40 -
II.4 Résultats du modèle mixte de LHP ..................................................................... - 43 -
II.5 Conclusion ........................................................................................................... - 47 -



Partie 2 : Déplacement d'un fluide mouillant par un fluide non mouillant en
milieu poreux par pressurisation

CHAPITRE III MODELE NUMERIQUE DE DRAINAGE ISOTHERME EN
MILIEU POREUX PAR PRESSURISATION - 53 -
III.1 Modèle géométrique ............................................................................................ - 53 -
III.2 Modèle hydrodynamique ..................................................................................... - 56 -
III.3 Algorithme de croissance .................................................................................... - 63 -
III.4 Films dynamiques ............................................................................................... - 67 -
III.5 Amas piégés ........................................................................................................ - 69 -
III.6 Conclusion ........................................................................................................... - 70 -
viiC. Louriou Sommaire

CHAPITRE IV VALIDATION EXPERIMENTALE DU MODELE
NUMERIQUE DANS UNE SITUATION 1D (TUBES
CAPILLAIRES) - 71 -
IV.1 Matériel expérimental ......................................................................................... - 71 -
IV.2 Techniques de mesures ........................................................................................ - 73 -
IV.3 Protocole expérimental - 74 -
IV.4 Modèle numérique ............................................................................................... - 75 -
IV.5 Résultats .............................................................................................................. - 75 -
IV.6 Exploitation ......................................................................................................... - 83 -
IV.7 Conclusion ........................................................................................................... - 85 -
CHAPITRE V VALIDATION EXPERIMENTALE DU MODELE
NUMERIQUE DE DRAINAGE ISOTHERME DANS UN
RESEAU DE PORES - 87 -
V.1 Matériel expérimental ......................................................................................... - 87 -
V.2 Techniques de mesures ........................................................................................ - 91 -
V.3 Protocole expérimental - 91 -
V.4 Modèle numérique ............................................................................................... - 91 -
V.5 Résultats .............................................................................................................. - 92 -
V.6 Conclusion ......................................................................................................... - 104 -



Partie 3 : Croissance d'une poche de vapeur par vaporisation dans un milieu
poreux

CHAPITRE VI ÉTUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE LA
DYNAMIQUE DE CROISSANCE D'UNE POCHE DE
VAPEUR PAR VAPORISATION DANS UN MILIEU
POREUX - 111 -
VI.1 Modèle de réseau de pores thermique ............................................................... - 111 -
VI.2 Dispositif expérimental ..................................................................................... - 124 -
VI.3 Résultats expérimentaux ................................................................................... - 128 -
VI.4 Confrontation des résultats numériques et expérimentaux ............................... - 136 -
VI.5 Etude d’un réseau comportant un plus grand nombre de pores ........................ - 142 -
VI.6 Application à un évaporateur capillaire............................................................. - 149 -
VI.7 Conclusion ......................................................................................................... - 153 -






viii C. Louriou Sommaire

Partie 4 : Application à un évaporateur capillaire, étude des phénomènes
transitoires

CHAPITRE VII MODELISATION DE L’IMBIBITION - 161 -
VII.1 Situations d’imbibition dans la mèche poreuse d’une LHP .............................. - 161 -
VII.2 Déplacement par imbibition dans un réseau de pores ....................................... - 163 -
VII.3 Conclusion ......................................................................................................... - 174 -
CHAPITRE VIII EXPLOITATION DU MODELE DANS UNE SITUATION
D’EVAPORATEUR CAPILLAIRE - 177 -
VIII.1 Modèle numérique ............................................................................................. - 177 -
VIII.2 Simulation d’une situation de démarrage .......................................................... - 182 -
VIII.3 Phénomène d’oscillation ................................................................................... - 195 -
VIII.4 Conclusion - 203 -
CHAPITRE IX ETUDE D’UN PHENOMENE D’HYSTERESIS DANS LA
STRUCTURE POREUSE - 205 -
IX.1 Modèle numérique - 205 -
IX.2 Application d’un échelon de puissance ............................................................. - 208 -
IX.3 Conclusion ......................................................................................................... - 222 -



CONCLUSION GENERALE ............................................................................................ - 225 -



REFERENCES .................................................................................................................. - 233 -



ANNEXES ........................................................................................................................ - 241 -


ix

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