Etude expérimentale et théorique d'une boucle diphasique à pompage capillaire dans le contexte de l'aéronautique

Experimental and theoretical study of capillary pumped loop in the aeronautics context

• Auteur / Autrice : Ahmed Kaled
• Direction : Sébastien Dutour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Industrie aéronautique

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Système diphasique

Cpl

Evaporateur capillaire

Condenseur

Electronique de puissance

Aéronautique

Résumé

Les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes transférant de manière passive et efficace de la chaleur entre deux sources distantes. Ce travail de thèse porte sur la caractérisation d'une boucle de type CPL (Capillary Pumped Loop) en vue de son utilisation dans un contexte aéronautique. La démarche scientifique couple l'expérimentation et la modélisation: un modèle destiné à rendre compte de la dynamique de la boucle a été développé en parallèle d'un banc expérimental. Les résultats issus des campagnes associant mesures et visualisations ont montré: (i) le caractère fortement fluctuant de l'écoulement, perturbé par le développement d'une instabilité hydrodynamique au niveau du condenseur, (ii) que la dynamique de la boucle consécutive à l'application d'échelons de puissance est dominée par la phase de redistribution du fluide dans la boucle, (iii) que cette phase est la plus critique en termes de sollicitations mécaniques puisqu'on y observe des débits pouvant dépasser d'un ordre de grandeur les débits moyens obtenus aux régimes stationnaires, (iv) que les performances sont conservées pour des angles d'inclinaison jusqu'à 20° malgré une influence avérée sur la répartition des phases et les coefficients de transfert. Une confrontation des résultats de simulations avec les données a montré que le modèle est capable de prédire de façon précise le comportement de la boucle lors d'échelons de flux croissants. Le modèle a donc été mis à profit pour tester l'aptitude de la boucle face à des conditions opératoires étendues et des configurations différentes (inclinaison, position respective des composants, performances du condenseur,. . . ). Il s'avère être un bon outil pour examiner l'intégration des CPLs dans les véhicules terrestres.

Capillary pumped loops are passive and efficient heat transport devices between two distant heat sources. This work deals with the characterization of the capillary pumped loop behavior for its use in an aeronautics context. The scientific approach combines experimentation and modeling: a model has been developed in parallel with an experimental test bench. During the measurements and visualizations campaigns, we found: (i) a strongly fluctuating flow, due to the development of a hydrodynamic instability within the condenser, (ii) that the loop dynamics during increasing or decreasing heat loading is dominated by the distribution of the working fluid in the loop, (iii) that this period is the most critical in terms of mechanical solicitations because we observed mass flow rates exceeding for one order of magnitude the value reached at steady state regimes, (iv) that the performances keep unchanged during the tests with tilt angles up to 20° despite influence on the phase distribution and heat transfer coefficients. Simulations have been compared with experimental results. We found that the model satisfactorily predicts the transient behavior of the loop during increasing heat loads. The model has been used to test the loop response subjected to extended operating conditions and different configurations (tilt angle, respective position of components, condenser performances,. . . ) demonstrating that it is a useful tool for studying the CPLs integration in terrestrial vehicles.