Thermique des caloducs à rainures axiales : études et réalisations pour des applications spatiales

Heat transfer in axially grooved heat pipes : modelling and experimental studies for space applications

• Auteur / Autrice : Christine Hoa
• Direction : Daniel Petit, Alain Alexandre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie thermique et combustion
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces gaz-liquide

Hydrodynamique

Modélisation tridimensionnelle

Tension superficielle

Résumé

Le caloduc Al/NH3 à rainures axiales est un élément principal du contrôle thermique passif des satellites de télécommunication. L'optimisation des capacités de transport et de la masse des profilés devient enjeu considérable nécessitant une connaissance affinée des phénomènes de transfert de chaleur dans les rainures capillaires. La réalisation d'un banc expérimental de grande précision a permis d'accéder à une caractérisation complète en température de plusieurs profilés et d'en analyser finement les performances. Les travaux de modélisation à plusieurs échelles ont conduit à prendre en compte des phénomènes de plus en plus nombreux afin de tenter de corréler les mesures expérimentales: un modèle thermique 2-D de rainure avec les interactions moléculaires à l'interface liquide-vapeur, un modèle thermique 3-D de la zone évaporateur avec la recherche du front d'assèchement des rainures par les méthodes de thermique directe et inverse, un modèle 1-D d'écoulement hydrodynamique prenant en compte les interférences gravitaires liées aux tests au sol. La réflexion sur l'amélioration des performances thermiques des caloducs à partir des caractérisations numériques et expérimentales a permis de développer un concept novateur de rainures doubles laissant présager un gain théorique en capacité de transport de 30 % en 0g par rapport aux rainures axiales actuelles.

Al/NH3 axially grooved heat pipes are major thermal control components of telecommunication satellites. Optimising both the performance and the mass is an important issue that drives the research of high performance heat pipes. This development requires a fine understanding of the physical phenomena involved in the heat and mass transfer in the capillary grooves. A high precision experimental bench has been set to obtain a complete thermal characterisation of several heat pipe profiles and to measure accurately their performances. In the modelling studies at different scales, numerous phenomena have been taken into account in order to match the measurements: a 2-D thermal model of one groove with the molecular interaction at the liquid/vapour interface, a 3-D thermal model of the evaporator zone to evaluate the dry out front of the liquid flow in the grooves thanks to direct and inverse thermal analysis, a 1-D hydrodynamic model to take into account the gravity effects during on ground condition. A new concept of double grooves for a high performance heat pipe has come out from the experimental and numerical analysis. The improvement has been theoretically estimated to 30% increase in heat transport capability in 0g compared to the performance of conventional axially grooved heat pipes.