Analyse numérique et expérimentale d'écoulements générés par des champs de temperature en gas raréfié : application à la conception de micropompes Knudsen

Numerical and experimental analysis of flows generated by temperature fields in rarefied gas : application to the design of Knudsen micropumps

• Auteur / Autrice : Jie Chen
• Direction : Stéphane Colin, Lucien Baldas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 21/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader - Institut Clément Ader
• Jury : Président / Présidente : Irina Graur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Colin, Lucien Baldas, Irina Graur, Juergen j. Brandner, Stefan Kanchev stefanov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aldo Frezzotti, Gian luca Morini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Gaz -- Écoulement

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Micro-écoulements gazeux

Transpiration thermique

Pompe Knudsen

CFD

DSMC

Microfluidics

Gas microflows

Thermal transpiration

Knudsen pump

CFD

DSMC

Résumé

Cette thèse présente une étude numérique et expérimentale d’écoulements gazeux raréfiés confinés, induits par gradients thermiques. L’écoulement d’un gaz raréfié peut en effet être généré en appliquant uniquement un gradient tangentiel de température le long d'une paroi. Ainsi, sans gradient initial de pression, le gaz peut se déplacer de la région froide vers la région chaude. Ce phénomène, appelé transpiration thermique, est à la base du fonctionnement des pompes dites de Knudsen, capables de générer un pompage du gaz sans utiliser de pièces mécaniques mobiles. L’apport principal de ce travail est relatif à l’investigation numérique de l’écoulement de transpiration thermique dans trois nouvelles configurations de pompe Knudsen. Dans ce but, une méthode numérique de simulation d’écoulements dans le régime de glissement a été développée ; elle implémente des conditions aux limites de saut de vitesse et de température spécifiques dans un code CFD commercial. Parallèlement, un code DSMC a été mis en œuvre pour étudier des écoulements plus fortement raréfiés dans les géométries les plus complexes. Des écoulements de transpiration thermique générés dans des canaux courbés, dans des canaux convergents/divergents ou entre deux surfaces spécialement micro-texturées ont ainsi été étudiés. D’autre part, l’analyse expérimentale d’un écoulement de transpiration thermique dans un microtube de section circulaire a été réalisée sur un nouveau banc d’essais conçu pour être adaptable à diverses géométries de canaux ou de pompes Knudsen.

This thesis presents a numerical and experimental analysis of internal rarefied gas flows induced by temperature fields. In rarefied gases, a flow can be generated by solely applying a tangential temperature gradient along a wall: without any initial pressure gradient, the gas macroscopically moves from the cold toward the hot region. This phenomenon is the so-called thermal creep or thermal transpiration effect. It is the main operating principle of the Knudsen pump, which can generate gas pumping without the need of any moving parts. The main aspect of this work is centered on numerical investigations of thermal transpiration flows in three new possible configurations of Knudsen pumps. For that goal, a numerical model for slip flows has been developed in which the appropriate slip boundary conditions are implemented in a commercial CFD code and a DSMC code has been adapted for studying transition flows in complex geometries. The pumping effect of curved-channel Knudsen pumps, the thermal transpiration flows through tapered channels and between two ratchets surfaces at different uniform temperatures have been investigated. In addition, an experimental study of thermal transpiration flow through a single micro-tube has been carried out on a new experimental set-up designed to be adaptable for testing thermally driven flows through various kinds of microchannels or generated by autonomous Knudsen compressors