Electro-hydro-dynamique pour les systèmes diphasiques capillaires : étude des interactions entre un champ électrique et un fluide diélectrique pouvant être sous forme liquide ou liquide-vapeur

Electro-hydro-dynamics for two-phase capillary systems : study of interactions between an electric field and a dielectric fluid in liquid or liquid-vapor form

• Auteur / Autrice : Baptiste Blaineau
• Direction : Marc Miscevic, Yves Bertin, Sébastien Dutour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Enérgétique et transferts
• Date : Soutenance le 24/01/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Électrostatique

Transfert d'énergie

Mots clés libres

EHD

Système diphasique capillaire

Interface liquide-vapeur

Electrostatique

Intensification des transferts

Two-phase capillary system

Liquid-vapor interface

Electrostatic

Heatransfer enhancement

Résumé

Les systèmes diphasiques à pompage capillaire sont couramment utilisés pour contrôler la température de l'électronique embarquée. Ces systèmes sont fiables et performants, mais ils présentent certaines limites associées essentiellement à la vaporisation dans le milieu poreux (limite capillaire, limite d'ébullition). Une façon d'étendre leurs performances en termes de longueur de transport de la chaleur et d'intensification des transferts serait de les coupler avec un système mécaniquement actif. Un des moyens pour réaliser cela est d'utiliser les forces électro-hydro-dynamiques (EHD) se développant dans le fluide lorsqu'on applique un champ électrique. Les travaux proposés sont une contribution à la compréhension de l'interaction entre une interface liquide-vapeur et un champ électrique afin de déterminer quels sont les mécanismes qui dans ces conditions contrôlent le pompage et le transfert de chaleur. La première partie se focalise sur l'étude expérimentale d'une interface liquide-vapeur sous un champ électrique avec ou sans flux de chaleur dans une configuration très académique (deux électrodes planes et verticales) tout en étant proche de ce qui se passe dans une cannelure de caloducs par exemple. L'objectif est d'observer, de quantifier et d'analyser les effets (forces, structures, instabilités) se développant sur l'interface. Une analyse a ensuite été menée à partir de modèles 1D et 2D. Nous avons ainsi pu vérifier que parmi l'ensemble des forces s'exerçant sur l'interface, la force diélectrophorétique est celle qui contrôle sa position et sa forme avec ou sans vaporisation. On a montré cependant qu'il existait des effets de couplage avec la conduction électrique dans le liquide pouvant sensiblement agir sur la courbure de l'interface. Enfin, les résultats en vaporisation ont confirmé que le champ électrique, en donnant des moyens de contrôle de la position et de la structure de l'interface de vaporisation, peut être effectivement mis à profit pour une intensification des transferts de chaleur proches d'une paroi chauffée. Dans un dernier volet, les travaux se sont concentrés sur la mise en mouvement d'un liquide diélectrique en mettant à profit le régime de conduction. Une étude expérimentale permettant d'étudier l'influence des différents paramètres (géométrie des électrodes, distance inter électrodes, nombre de modules) a été réalisée dans les fluides HFE-7000 et HFE-7100. Les résultats ont montré une faible reproductibilité des performances de la pompe pour ces fluides suggérant une forte sensibilité des phénomènes à l'état de surface des électrodes et aux régimes parasites d'injection de charge.

Two-phase systems based on the capillary pumping are widely used for electronics cooling. These systems are reliable and efficient, but the maximum heat load is given by the porous medium characteristics (pore size and conductivity) and the fluid properties. The use of an additional source of energy to actively control the heat transport and the heat transfers is a way to extend the performance. Electro-hydrodynamic forces (EHD) could fulfill this objective. This work proposed a contribution to the understanding of the interaction between a liquid-vapor interface and an electric field in order to determine which mechanisms control the pumping and heat transfer. The first part focused on the experimental study of a liquid-vapor interface under an electric field with or without heat flux in a very academic configuration while being close to the operating conditions of the vaporization in a groove of a heat pipe for example. The objective was to observe, quantify and analyze the effects (forces, structures, instabilities) developing on the interface. On top of that, analysis based on 1D and 2D models were made. We found that the dielectrophoretic force mainly controlled the position and the shape of the interface with or without vaporization. However, some effects of coupling with the electrical conduction in the liquid were proved to substantially modify the interface curvature. Finally, the results confirmed that the electric field can effectively be used to the heat transfer enhancement close to a heated wall. In a final section, the work is related to the pumping of a dielectric liquid based on the conduction regime. An experimental study was carried out in HFE-7000 and HFE-7100 fluids to investigate the role of different parameters (electrode geometry, inter-electrode distance, number of modules). For these fluids, the repeatability of results was not satisfactorily suggesting a high sensitivity of the phenomena according to the surface state of the electrodes and parasitic charge injection.