Etude hydrodynamique et thermique de la vaporisation dans un micro-canal de section carrée : application aux micro-boucles diphasiques à pompage capillaire

Hydrodynamical and thermal studies of vaporisation in a square cross section micro-channel : application to micro-capillary pumped loops design

• Auteur / Autrice : Valérie Serin
• Direction : Pascal Lavieille, Marc Miscevic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et transferts
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Écoulement -- Visualisation

Équilibre liquide-vapeur

Dissipateurs thermiques (électronique)

Caloducs

Thermique

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Ménisque étendu

Vaporisation

Pompage capillaire

Visualisation

Micro-canal

Modélisation

Boucle miniaturisée

Extended meniscus

Vaporisation

Capillary pumping

Visualisation

Micro-channel

Modelisation

Miniaturised loop

Résumé

La compréhension des mécanismes couplés de vaporisation et de pompage capillaire dans des micro-canaux est primordiale pour le développement des micro-boucles fluides diphasiques. Ce travail aborde les études expérimentale et théorique d'un évaporateur capillaire constitué d'un micro-tube de section carrée chauffé à son extrémité. Le banc expérimental développé permet de caractériser l'écoulement obtenu par pompage capillaire en fonction de la puissance de chauffe. Une attention particulière est portée sur la répartition des phases liquide et vapeur déterminée par le traitement d'images vidéo. Il apparaît que le phénomène de vaporisation dans de telles conditions opératoires est très instable. Les données issues du traitement des images, couplées à celles fournies par les autres capteurs, permettent d'analyser sous différents angles (i. E. Temporel, spatial et statistique) les caractéristiques de cet écoulement. Parallèlement à cette approche expérimentale, une modélisation de la répartition des phases est développée dans cette configuration de pompage capillaire. Ce modèle stationnaire permet de mieux comprendre les mécanismes dominant l'écoulement avec changement de phase et de prédire l'extension des zones de films minces de liquide. Pour finir, une étude sur le plan expérimental et numérique d'une boucle diphasique à pompage capillaire de type CPL et de dimensions réduites a été mise en place. Un modèle de fonctionnement a été développé permettant de mieux appréhender les problèmes de conduction thermique créés par la miniaturisation. Les premiers résultats expérimentaux mettent en avant l'orientation à suivre pour fiabiliser de tels systèmes.

Understanding the coupled mechanisms of vaporisation and capillary pumping in micro-channels is crucial for the development of micro-loop heat pipes. This work deals with the theoretical and experimental studies of a capillary evaporator that consists of a square cross section micro-tube heatedat the end. The developed experimental setup allows to characterize the flow obtained by capillary pumping as a function of the heating power. Particular attention is focused on the distribution of liquid and vapour phases determined by the video image processing. It appears that the phenomenon of vaporisation in these operating conditions is very unstable. Data from the images processing, coupled with those provided by other sensors, allow to analyse from different ways (i. E. Temporal, spatial and statistical) the flow characteristics. In addition to this experimental approach, a model of the phase distribution has been developed in this configuration of capillary pumping. This stationary model provides a better understanding of the mechanisms that dominate the flow with phase-change and predicts the liquid thin films extension. Finally, an experimental and numerical study of a miniaturised capillary-driven two-phase loop (CPL's like) has been developed. An operating model is proposed in order to take into account the thermal conduction phenomena, which appear fundamental in miniaturised systems of thermal management. First experimental results highlight the direction for increasing the reliability of such systems.