Dynamique de bulles et transfert thermiques par ébullition : étude en absence et en présence de champs électriques

Bubble dynamics and boiling heat transfer : a study in the absence and in the presence of electric fields

• Auteur / Autrice : Samuel Siedel
• Direction : Jocelyn Bonjour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 13/04/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Lounes Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jocelyn Bonjour, Lounes Tadrist, Catherine Colin, Paolo Di Marco, Serge Cioulachtjian, Tony Robinson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Colin, Paolo Di Marco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Thermodynamique

Mots clés libres

Energétique

Thermodynamique

Transferts thermiques

Ebullition convective

Ebullition en vase

Dynamique des bulles

Ehd

Electrohydrodynamique

Thermique

Pool boiling

Bubble dynamics

Ehd

Electrohydrodynamics

Thermodynamics

Résumé

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur très efficace utilisé dans de nombreux systèmes technologiques comme les centrales nucléaires ou refroidissement de micro-électronique. La prédiction des échanges thermiques par ébullition reste actuellement très délicate, en raison de la complexité du phénomène, malgré des décennies de recherche sur le sujet. Le coefficient de transfert thermique est intimement lié à la dynamique de bulles (nucléation des bulles, croissance et détachement) ainsi qu’à des facteurs tels la densité de sites de nucléation ou les interactions entre bulles voisines et successives. La présente étude porte sur l’ébullition saturée sur un site de nucléation artificiel unique (ou deux sites voisins) sur une paroi en cuivre poli. La dynamique de croissance des bulles a été caractérisée pour différentes surchauffes de paroi et une loi expérimentale de croissance a été établie. Les interactions entre bulles successives issues du même site ont été étudiées, montrant qu’elles peuvent provoquer des oscillations de la bulle en croissance. Les forces agissant sur une bulle en croissance ont été clairement définies, et un bilan de quantité de mouvement a été réalisé à tous les stades de la croissance d’une bulle. La courbure le long de l’interface a été mesurée, ce qui a permis de mieux saisir le mécanisme de détachement de la bulle. L’ascension d’une bulle après son détachement a été analysée, et la vitesse maximale atteinte avant un changement de direction a été estimée et comparée aux modèles existants dans la littérature. L’interaction entre bulles croissant côte à côte a été étudiée. La génération et la propagation d’une onde lors de la coalescence a été mise en évidence. Dans le contexte de travaux de recherche sur des techniques d’intensification des échanges thermiques, cette étude se penche particulièrement sur l’intensification par électrohydrodynamique. Des expériences d’ébullition ont été réalisées en présence de champs électriques, et leurs effets sur les transferts thermiques et sur la dynamique des bulles ont été analysés. Bien que le volume au détachement des bulles et la relation entre la fréquence et la surchauffe reste inchangées, la courbe de croissance des bulles est modifiée. Les bulles sont allongées dans la direction du champ électrique, et cette élongation a été estimée et comparée à d’autres résultats de la littérature. La vitesse d’ascension des bulles est réduite en présence de champs électriques, et les interactions de bulles voisines sont modifiées: il s’avère qu’en présence de champs électriques les bulles ont tendance à se repousser. Ces résultats, obtenus dans un environnement parfaitement contrôlé apportent la preuve que la présence de champs électriques modifie la dynamique des bulles et par conséquents les transferts thermiques associés.

Since boiling heat transfer affords a very effective means to transfer heat, it is implemented in numerous technologies and industries ranging from large power generation plants to micro-electronic thermal management. Although having been a subject of research for several decades, an accurate prediction of boiling heat transfer is still challenging due to the complexity of the coupled mechanisms involved. It appears that the boiling heat transfer coefficient is intimately related to bubble dynamics (i.e. bubble nucleation, growth and detachment) as well as factors such as nucleation site density and interaction between neighbouring and successive bubbles. In order to contribute to the understanding of the boiling phenomenon, an experimental investigation of saturated pool boiling from a single or two neighbouring artificial nucleation sites on a polished copper surface has been performed. The bubble growth dynamics has been characterized for different wall superheats and a experimental growth law has been established. The interaction between successive bubbles from the same nucleation site has been studied, showing the bubble shape oscillations that can be caused by these interactions. The forces acting on a growing bubble has been reviewed, and a complete momentum balance has been made for all stages of bubble growth. The curvature along the interface has been measured, and indications concerning the mechanism of bubble detachment have been suggested. The rise of bubble after detachment has been investigated, and the maximum velocity reached before a change of direction has been estimated and compared to existing models from the literature. The interaction between bubbles growing side by side has been studied: the generation and propagation of a wave front during the coalescence of two bubbles has been highlighted. As boiling heat transfer enhancement techniques are being imagined and developed, this study also focuses on the electrohydrodynamic enhancement technique. Boiling experiments have been performed in the presence of electric fields, and their effects on heat transfer and bubble dynamics have been characterized. Although the volume of the bubbles at detachment and the relationship between the bubble frequency and the wall superheat were not affected, the bubble growth curve was modified. The bubbles were elongated in the direction of the electric field, and this elongation was estimated and compared to other studies from the literature. The rising velocity of the bubble was reduced in the presence of electric field, and the behaviour of bubbles growing side by side was modified, the electric field causing the bubbles to repeal each other. These results, obtained in a fully controlled environment, provide compelling evidence that electric fields can be implemented to alter the bubble dynamics and subsequently heat transfer rates during boiling of dielectric fluids.