Contribution à l'étude du changement de phase liquide-vapeur dans des capillaires micrométriques en vue des applications aux étanchéités statiques

Study of liquid/vapor phase change in microcapillaries

• Auteur / Autrice : Pascal Jolly
• Direction : Jean Frêne, Jean-Sylvestre Darrozès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, productique, transport
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléation

Transitions de phases

Écoulement diphasique

Écoulement -- Visualisation

Résumé

Ce travail a pour objet la compréhension de la phénoménologie du changement de phase liquide-vapeur lors de l'écoulement d'un fluide dans des chemins de fuite micrométriques, résultants du contact imparfait entre deux pièces métalliques du fait de la rugosité des parois. Le but est de déterminer l'influence du changement d'état du fluide sur la valeur du débit de fuite par rapport à un écoulement monophasique. Le chemin de fuite est assimilé à un capillaire micrométrique de section circulaire, aux extrémités duquel les conditions de pression correspondent à l'état liquide en entrée, et, à l'état vapeur en sortie. L'étude se limite aux situations où le changement de phase est obtenu par une chute de la pression locale, sans apport de chaleur complémentaire à la paroi. L'ensemble des équations phasiques et interfaciales sont rendues sans dimension afin d'identifier, par une analyse phénoménologique, les mécanismes prépondérants lors de l'ébullition du R134a en espace confiné. Il est montré que le changement de phase intervient par nucléation hétérogène et que la croissance des bulles de vapeur ainsi formées est contrôlée par les phénomènes thermiques. Un dispositif expérimental est conçu pour observer l'ébullition dans des capillaires en verre, dont le diamètre intérieur est compris dans une gamme de 20 à 100 æm. L'exploitation du dispositif est dictée par un protocole comportant trois étapes, les deux dernières correspondant à des situations de changement de phase avec des conditions initiales différentes. Pendant l'étape 2, l'évolution de la taille de la phase vapeur est relevée à l'aide d'une caméra rapide ou d'une webcam, ce qui permet d'estimer la répercussion du changement de phase sur le débit de fuite. Pendant l'étape 3, malgré une pression de sortie inférieure à la pression de saturation, aucune bulle de vapeur n'est observée dans le capillaire.

The matter of this work is the comprehension of liquid-vapor phase change phenomenology in micrometric paths that remain from the contact of two rough surfaces in a static gasket. The main objective is to evaluate the consequences of boiling on flow rate value. The leakage path is supposed to be a capillary tube, of micrometric diameter. Inlet and outlet pressures correspond respectively to liquid phase and vapor phase. Boiling occur when the local pressure falls below the saturation pressure during the liquid flow. Besides, no heat is carried out to the fluid. Conservation and interfacial equations are written in a non dimensional form in order to identify, by a phenomenological analysis, the preponderant mechanisms of boiling of R134a in confined space. It is shown that phase change occurs by heterogeneous nucleation and that the growth of the resulting vapor bubble is controlled by thermal phenomena. An experimental facility is designed for the visualization of boiling in glass capillary tubes of circular cross section whose diameter is comprised in the range 20 to 100 æm. Experimentations are ruled by a protocol that includes three steps. The steps 2 and 3 correspond to a situation of phase change, but with different initial conditions. During the second step, evolution of the vapor phase is measured, with a webcam or a fast cam. This enables to estimate the repercussion of boiling on leakage flow rate. During the third step, despite the fact that the outlet pressure is much smaller than the saturation pressure, no boiling bubbles are observed in the capillary.