Bulles, gouttes et coulis de glace
Les objectifs de la thématique « Bulles, gouttes et coulis de glace » sont de comprendre et modéliser les phénomènes mis en jeu dans des écoulements complexes dits multiphasiques. La matière s’y retrouve dans plusieurs états simultanément, que ce soit solide, liquide ou vapeur. Ces écoulements se retrouvent partout, de la casserole d’eau bouillante de tous les jours au générateur de vapeur d’une centrale électrique, ou encore de la rosée du jardin à la condensation que l’on souhaite éviter en chambre froide. Grâce à des méthodes expérimentales et numériques poussées, ces différents phénomènes sont étudiés dans le but d’obtenir des modèles simples permettant de dimensionner des systèmes industriels efficaces.
Permanents impliqués : F. Autrusseau, N. Baudin, J. Bellettre, V. Chegnimonhan, C. Josset, S. Roux, D. Tarlet,
Non permanents impliqués : T. Naudin, E. Missi, A. Della Volpe
Les chiffres clés (depuis 2020)
Refroidissement d’électronique par immersion diphasique
Le refroidissement d’électronique par immersion diphasique est très étudié depuis une dizaine d’année : en effet, l’immersion se fait avec des fluides diélectriques à température de saturation proche de la température de consigne de l’électronique visée, ce qui permet de tirer parti des coefficients d’échange importants en ébullition nucléée. De plus, le contact direct entre le fluide de refroidissement et les surfaces chauffées permet un système simple qui ne nécessite pas forcément de pompe puisque les bulles se déplacent toute seule par gravité.
Parmi les problématiques rencontrées pour le dimensionnement de tels systèmes, le LTeN s’intéresse à comprendre l’effet du confinement des bulles qui apparait entre autre lors de la conception de systèmes de refroidissement d’électronique embarquée : suivant la densité et l’aplatissement des bulles, les échanges peuvent être améliorés par une augmentation de la surface d’évaporation, ou détériorés lors de l’apparition d’ébullition en film qui isole thermiquement la paroi par effet double vitrage.
Thèse : Financement Cifre avec le groupe Renault
Doctorant : A. Della Volpe
Communication : « Influence of confinement in different steady state boiling regimes », International Conference On Boiling & Condensation Heat Transfer 2023
Pour la même puissance de chauffe, ébullition confinée à gauche (e=5 mm), libre à droite
Une émulsion explosive
Les émulsions eau/huile représentent une alternative sérieuse pour remplacer les carburants classiques que nous utilisons depuis la seconde révolution industrielle. En effet, le principal avantage que présentent les émulsions eau/huile réside au niveau de l’atomisation. Considérons une goutte de carburant émulsionné soumise à des hautes températures, comme dans une chambre à combustion. Les gouttelettes d’eau dispersées atteignent leur température de saturation plus rapidement que la phase d’huile qui les entoure, ce qui génère leur changement de phase (liquide-vapeur). Ce changement de phase induit une expansion volumique qui éclate la goutte d’émulsion en plusieurs gouttes filles, dont le diamètre est plus petit. Ce phénomène s’appelle la micro-explosion.
La micro-explosion, ou atomisation secondaire, induit principalement une diminution notable des émissions de polluants. En effet, la combustion étant plus complète, les émissions d’imbrûlés gazeux, de CO, de suie sont réduites. De plus, la présence de l’eau induit une diminution de la température de flamme et donc des émissions de Nox.
La LIF
La LIF, une technique sophistiquée de mesure de température est utilisée au sein de l’émulsion de manière non intrusive. Grâce à l’émission de lumière par des colorants fluorescents présents dans les gouttelettes d’eau, il est possible à la fois de remonter à la température de ces gouttelettes, mais également de les repérer, et donc de les compter et d’en mesurer la taille.
La vinaigrette spatiale !
Pour comprendre les phénomènes mis en jeu dans la micro-explosion d’une émulsion, nous avons souhaité faire des expériences en micro-gravité, pour mettre en avant certaines forces plutôt que d‘autres. Le dispositif expérimental a donc été envoyé dans une navette, qui grâce à des temps de chute libre, permet de simuler une absence de gravité.
L’ébullition dans tous ses états
L’ébullition se retrouve dans de nombreux systèmes industriels, que ce soit dans des usines ou dans la vie de tous les jours : par exemple, le frigorigène qui circule dans un réfrigérateur s’évapore au contact de la partie froide pour transférer ensuite sa chaleur à l’arrière en se recondensant.
Parmi les problématiques rencontrées pour le dimensionnement de tels systèmes, le LTeN s’intéresse à :
- Comprendre l’effet du confinement des bulles qui apparaît entre autre lors de la conception de systèmes de refroidissement embarqués
- Chercher et tester de nouveaux fluides frigorigènes plus respectueux de l’environnement que ceux actuellement utilisés
- Afin de mener à bien ces recherches, des dispositifs expérimentaux ont été développés avec des mesures de température et de flux de chaleur fines par thermocouples et thermographie infrarouge, couplées à des visualisations rapides analysées avec l’aide d’un ingénieur de recherche spécialisé en traitement d’images.
Et si notre PC prenait un bain ?
Cela peut surprendre mais l’immersion des composants électroniques dans un bain de liquide est un moyen efficace de les refroidir. Ce fluide doit être diélectrique bien sûr, c’est à dire ne pas conduire l’électricité pour éviter les court-circuits. Et si on choisit un liquide avec une faible température d’ébullition, on peut tirer parti des échanges de chaleur efficaces lors de la formation des bulles au contact des composants chauffants comme les puces électroniques.
Un coulis de glace pour rester au frais
Le coulis de glace, mélange d’eau liquide et de petits grains de glace est une sorte de granité. Ce fluide, proposé comme frigoporteur, semble constituer une solution technologique intéressante pour améliorer la sobriété énergétique de certaines installations frigorifiques. La coexistence entre le liquide et la glace permet de le maintenir à 0oC, et une grande quantité de « froid » est stockée dans la glace. Son utilisation s’inscrit donc dans un contexte de stockage d’énergie thermique qui permet de s’affranchir de la dépendance production/consommation d’énergie. Les coulis de glace sont souvent sujets à la stratification du fait d’une différence de densité entre la phase liquide et la phase solide.
Pour étudier l’impact de cette stratification sur le transport, nous avons, dans un premier temps, étudié l’écoulement d’un fluide modèle composé de particules similaires à des cristaux de glace, mais non sujettes aux transferts de chaleur. La cartographie des régimes, l’évolution de la perte de charge ont été mesurées et ont permis de mettre en avant les conditions d’écoulement permettant d’optimiser le transport de particules solides.
Le grand public joue aux chercheurs !
Lors de la Nuit Blanche des Chercheurs de 2022, des chercheurs du LteN ont présenté ces recherches au grand public. Chacun et chacune pouvait également piloter à distance l’expérience, et observer en direct les différents écoulements et les cartographier.
Mesure fantôme
Si le coulis de glace est mélangé à du glycol, au fur et à mesure que les particules de glace fondent, le glycol se dilue dans l’eau liquide. Grâce à des spectromètres placés le long de la conduite, les chercheurs peuvent remonter à l’évolution de la fonte du coulis de glace et ainsi caractériser finement les transferts de chaleur et de masse.
Quand les gouttes font la course
Un produit hydrophobe est souvent passé sur les pare-brises pour que les gouttes roulent et partent rapidement. Les industriels souhaitent la même chose pour leurs condenseurs car plus vite les gouttes partent, plus vite on en recondense de nouvelles, et meilleurs sont les échanges de chaleur. Nous cherchons à modifier les caractéristiques de surface de matériaux afin que les gouttes qui se créent avancent et partent « toute seule » même quand la surface est horizontale.
L’étude de l’état de surface passe par une caractérisation faite grâce aux microscopes du laboratoire, sur des traitements effectués par une cellule Capacité de Nantes Université. De plus, un code utilisant la méthode de Lattice-Boltzmann permet de guider la structuration des états de surface suivant l’application voulue.
Et le reflet des gouttes qui, après une brève ondée nocturne, glissaient du toit et captaient dans leur chute l’éclat de la lune. La musique d’une vie – Andreï Makine
La méthode de Lattice-Boltzman (LBM)
La LBM permet de simuler les écoulements grâce à une représentation pseudo-mécanistique de la nature. Au lieu de simuler les collisions entre atomes et particules, on remonte d’une échelle et simule les collisions entre paquets de particules. Bien qu’il y ait un travail conséquent pour la mettre en place, son fonctionnement est finalement assez simple et élégant.
