LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

Nathalie Seiler - Marie

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Edyf Spécialité : Mécanique des fluides Par Nathalie SEILER-MARIE MODELISATION ET SIMULATION DES PHENOMENES D'EBULLITION ET DU TRANSFERT DE CHALEUR DANS LA ZONE D'IMPACT D'UN JET SUR UNE PLAQUE CHAUDE Soutenue le 25 mars 2004 devant le jury composé de : MM. LEBOUCHÉ rapporteur BERTHOUD rapporteur GARDIN examinateur COLIN président du jury SIMONIN directeur de thèse MIMOUNI examinateur BOUCKER examinateur N° Ordre :2093

• modélisation du flux de plateau


• conclusion sur la modélisation du minimum d'ébullition en film


• flux


• rappel de l'interprétation existante des phénomènes


• modélisation des transferts de flux de chaleur en paroi


• origine de la fragmentation des bulles en paroi


• messieur berthoud


• rapporteur berthoud rapporteur

Sujets

• Institut national polytechnique de Toulouse
• Berlin
• Seiler
• Borean languages
• Haynes
• Caraman
• Mimouni
• Chatou
• Institut de mécanique des fluides de Toulouse

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 mars 2004
• Nombre de lectures: 66
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

THÈSE

présentée
pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE
TOULOUSE

École doctorale : Edyf
Spécialité : Mécanique des fluides

Par
Nathalie SEILER-MARIE

MODELISATION ET SIMULATION DES PHENOMENES
D’EBULLITION ET DU TRANSFERT DE CHALEUR DANS LA ZONE
D’IMPACT D’UN JET SUR UNE PLAQUE CHAUDE



Soutenue le 25 mars 2004 devant le jury composé de :


MM. LEBOUCHÉ rapporteur BERTHOUD GARDIN examinateur COLIN président du jury
SIMONIN directeur de thèse MIMOUNI examinateur
BOUCKER


N° Ordre :2093


Remerciements
Ces travaux de thŁse ont ØtØ rØalisØs dans le dØpartement MØcanique des Fluides et transferts
Thermiques de EDF R&D ? Chatou en partenariat avec l’Institut de MØcanique des Fluides de
Toulouse et l’IRSID, le centre de Recherche procØdØ d’ARCELOR.
Je tiens ? remercier Messieur LebouchØ et Messieur Berthoud d’avoir acceptØ d’Œtre rapporteurs
et d’avoir manifestØ un vif intØrŒt pour ces travaux.
Je souhaite exprimer ma gratitude ? Monsieur Simonin pour ses conseils scienti ques qui m’ont ØtØ
prØcieux pour l’Øtablissement du modŁle d’Øbullition implantØ dans le logiciel Neptune 3D local.
Que Monsieur Mimouni, responsable EDF de cette thŁse, veuille trouver ici ma reconnaissance
pour m’avoir accueilli dans le groupe de recherche d’EDF.
J’adresse Øgalement des remerciements ? Monsieur Gardin et Monsieur BorØan de l’IRSID pour
avoir suivi et participØ ? mes travaux de thŁse avec autant d’intØrŒt et m’avoir communiquØ le sens
des rØalitØs industrielles.
Ce travail n’aurait pas pu Œtre accompli sans le soutien d’une personne en particulier : je tiens
? exprimer pour cela mes plus profonds remerciements ? mon pŁre J.M. Seiler pour son soutien
scienti que et moral. Je lui tØmoigne ici ma reconnaissance pour m’avoir fait partager sa passion
pour la science. Ses conseils avisØs et son sens physique pointu m’ont ØtØ prØcieux pour
l’Øtablissement de la modØlisation du phØnomŁne de plateau de ux.
Je voudrais remercier tout le groupe I81 d’EDF Chatou, Monsieurs LaviØville, Guel et Boucker
en particulier pour leur aide professionnelle et Monsieur Mattei, chef de groupe. J’adresse toute
ma sympathie ? mes collŁgues de bureau Pierre-Antoine Haynes, Olga Batrak et Nicolas Caraman
avec qui j’ai partagØ pendant trois ans les alØas du travail de recherche. Merci en n ? ma mŁre,
mon mari, mes soeurs et toute ma famille et belle-famille pour m’avoir soutenue tout au long de
ces annØes.Table des matiŁres
Introduction 1
I Etude PhØnomØnologique 3
1 Introduction 5
2 Description du phØnomŁne de plateau de ux en Øbullition de transition sous un jet
impactant 9
2.1 Rappel de l’interprØtation existante des phØnomŁnes ? l’origine du plateau de ux 15
2.2 Conclusion : Nouvelle interprØtation du phØnomŁne conduisant au plateau de ux 19
3 ModØlisation du phØnomŁne de plateau de ux en Øbullition de transition sous un jet
impactant 23
3.1 PremiŁre approche de l’origine de la fragmentation des bulles en paroi . . . . . . 23
3.2 Seconde approche de l’origine de la des bulles en paroi . . . . . . 30
3.3 ModØlisation du ux de plateau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Comparaison des Øquations de plateau de ux obtenues ? partir des diffØrentes
approches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Validation ? partir des rØsultats expØrimentaux disponibles dans la littØrature
(extension des gammes de vitesse et de sous-saturation) . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6 Conclusion sur la modØlisation du plateau de ux . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
i4 ModØlisation du phØnomŁne du premier minimum sous un jet impactant 63
4.1 CritŁre de fragmentation des bulles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Echauffement par conduction du liquide touchant la paroi . . . . . . . . . . . . 64
4.3 In uence de l’oxydation de la paroi et comparaison aux autres donnØes de la
littØrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Conclusion sur la modØlisation du premier minimum de ux . . . . . . . . . . . 84
5 Approche phØnomØnologique du phØnomŁne du minimum d’Øbullition en lm sous
un jet impactant 85
5.1 PhØnomŁnes locaux conduisant au minimum d’Øbullition en lm . . . . . . . . . 85
5.2 Flux du minimum d’Øbullition en lm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3 TempØrature de paroi pour le minimum d’Øbullition en lm . . . . . . . . . . . . 90
5.4 Validation ? partir d’autres rØsultats expØrimentaux disponibles dans la littØrature 90
5.5 Conclusion sur la modØlisation du minimum d’Øbullition en lm . . . . . . . . . 103
6 Conclusion de l’Øtude phØnomØnologique 109
II Etude NumØrique 115
7 Introduction 117
8 La modØlisation des Øcoulements polyphasiques mise en uvr e dans le logiciel
Neptune 3D local 119
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2 Equations de bilan aux grandeurs moyennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3 ModØlisation du transfert de masse et d’enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.4 des transferts de ux de chaleur en paroi . . . . . . . . . . . . . . 134
8.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9 Identi cation et mise en uvr e des modi cations apportØes au logiciel Neptune 3D
iilocal 141
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.2 DØmarche suivie pour aboutir ? la quali cation du logiciel sur nos cas d’Øtudes et
introduction d’un modØlisation adaptØe ? la simulation de jets . . . . . . . . . . . 141
9.3 Mise en uvre de la dØmarche et prØsentation des modŁles implantØs dans Neptune
3D local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10 Simulations ? l’aide du logiciel Neptune 3D local 163
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.2 Etude en stationnaire : cas Robidou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.3 Etude en transitoire : cas Ishigai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11 Conclusion de l’Øtude numØrique 185
Conclusion 191
Annexes I
A CorrØlations existantes dans la littØrature pour dØcrire les ux ØchangØs dans les
diffØrents rØgimes d’Øbullition sous un jet impactant III
B InstabilitØs interfaciales LXXXV
C Autre approche : instabilitØs dues ? des uctuations de pression XCI
D RØsultats des comparaisons entre les donnØes expØrimentales et les corrØlations
trouvØes dans la littØrature XCVII
E Etudes expØrimentales rØalisØes ? Berlin CXI
F DiffØrents modŁles de turbulence CXXVII
iiiG Equation de Transport d’aire interfaciale pour le 3D-local CXXXIII
Publications CXXXVII
ivIntroduction
Le refroidissement d’une plaque chaude par un jet impactant est un procØdØ particuliŁrement ef -
cace du fait qu’un jet de liquide froid impacte sur une surface chaude et se vaporise en partie. Par
cette technique, il est possible d’Øvacuer localement des ux importants et ceci ? trŁs haute
tempØrature. Ces propriØtØs sont utilisØes pour de nombreux processus de refroidissement, en particulier
dans la sidØrurgie pour le refroidissement de plaques d’acier, ainsi que dans l’Ølectronique pour le
refroidissement de puces Ølectroniques de plus en plus puissantes.
L’industrie sidØrurgique tire partie de ces caractØristiques, en particulier pour le refroidissement de
bandes au laminage ? chaud. Les caractØristiques mØcaniques de l’acier (duretØ, ØlasticitØ, aptitude
? l’emboutissage) dØpendant du refroidissement, il est primordial de le contr ler pour rØussir les
produits actuels et futurs. Aujourd’hui, il n’existe pas de modŁle prØdictif qui calcule l’Øvolution
thermique locale d’un produit dØ lant, refroidi par un jet d’eau, dans des situations technologiques
originales.
L’IRSID, centre de Recherche procØdØs d’ARCELOR, a dØcidØ de dØvelopper une simulation
numØrique des mØcanismes de transfert thermique avec changement de phase, dans des conditions
proches des procØdØs utilisØs industriellement. Les modŁles utilisØs aujourd’hui en usine ne
permettent pas le contr le local du refroidissement car ils sont basØs sur une approche globale et
servent surtout au prØr&#