Analyse du transfert thermique par ébullition en régimes thermiques stationnaire et instationnaire

An analysis of boiling heat transfer phenomena in thermal steady and unsteady states

• Auteur / Autrice : Jianfeng Lu
• Direction : Brahim Bourouga, Xiaofeng Peng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Thermique, énergétique et génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes en cotutelle avec Beijing
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ébullition

Transfert de chaleur

Résumé

La compréhension des mécanismes de base du transfert par ébullition aux différents régimes thermiques constitue encore un grand challenge. Des investigations théoriques et expérimentales ont été menées pour mieux connaître les mécanismes physiques associés au transfert thermique par ébullition. L’amorce du phénomène de nucléation en ébullition hétérogène a été théoriquement étudiée. Elle se produit au-delà d'une sous-couche liquide stable due à la force de pression. La nucléation dans une cavité conique a été divisée en trois types différents et le phénomène de double-nucléation a été décrit pour la première fois. Le comportement complexe des bulles sur des fils fins a été étudié sur un dispositif de mesure dans le cas d’un bain d’eau sous- refroidi. Des écoulements de jets de bulles ont été observés et leurs principales caractéristiques ont été quantitativement mesurées. La formation du jet de bulles a été modélisée. Divers types de mouvements de bulle : patinage, séparation, collision et oscillation accompagnant le saut ont été étudiés au moyen de l'équation de la dynamique de bulle. Les résultats expérimentaux et théoriques montrent que le phénomène de thermocapillarité a une importance critique pour le mouvement de bulle. Le mode d'ébullition de transition dans un bain d’eau sous refroidie a été également observé expérimentalement sur une surface plate brusquement refroidie. L’intensité du transfert transitoire rapide à l’interface a été estimé avec précision par technique inverse. Les différentes modes d’ébullition nucléée et leur coexistence sur des fils très fins ont été également étudiés expérimentalement. Des structures complexes comprenant une région en forme de S avec des branches multiples se manifestent dans la distribution établie de l'ébullition. La stabilité d'ébullition sur des cylindres ou des ailettes annulaires est étudiée sur la base de la détermination du mode propre le plus instable et de la valeur propre associée au moyen de la fonction de Liapounov.

Boiling has already become one of the most attractive and challenging research topics due to its wide applications in various industries and high technology fields. In this dissertation, a series of theoretical and experimental investigations was conducted to unveil the dynamical evolution of boiling phase change and associated physical mechanisms. The inception nucleation in heterogeneous boiling system was theoretically explored to occur beyond a stable liquid sublayer owing to the large range force. The nucleation in an ideal conical cavity was divided into three different types, and the double-nucleation phenomena were first described. By employing the modified nucleate kinetic equation, the nucleation rate was concluded to reduce if the bubble evolution was restrained. Complex bubble behavior of subcooled water boiling on fine wires was comprehensively investigated. The characteristics of bubble-top jet flows were visually observed and quantitatively measured, and the bubble jet formation was numerically simulated with a proposed unsteady model. Both experimental and theoretical evidences indicate that the thermocapillary effect is of critical importance for the bubble motion. Various kinds of bubble motions: slippage, separation, collision and oscillation during leaping were further investigated employing the proposed bubble dynamical equation. Boiling mode transition of subcooled water on a flat surface during abrupt cooling operation was visually observed, and its associated heat transfer performance was precisely estimated by Beck sequential method. Different nucleate boiling modes and their co-existence on very small wires was also investigated experimentally. Base on Lyapunov’s function, the most unstable mode and maximum eigenvalue are derived to determine the boiling stability on cylinders and annular fins.