Etude expérimentale de l'ébullition : caractérisation des phénomènes en proche paroi et de la dynamique d'une bulle

Experimental study of boiling : characterization of near-wall phenomena and bubble dynamics

• Auteur / Autrice : Cassiano Tecchio
• Direction : Vadim S. Nikolayev, Benjamin Cariteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Service de thermo-hydraulique et de mécanique des fluides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jocelyn Bonjour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Colin, Paolo Di Marco, Fabrice Charra, Pere Roca i Cabarrocas, Matteo Bucci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Colin, Paolo Di Marco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Expériences

Ébullition

Thermographie

Films liquides (physique)

Mots clés libres

Microcouche

Bulles

Expérience

Interférométrie

Thermographie infrarouge

Ébullition

Microlayer

Bubble

Experiments

Interferometry

Infrared thermography

Boiling

Résumé

Ce travail consiste en une étude expérimentale des phénomènes physiques à micro-échelle se produisant lors de la croissance d'une seule bulle attachée à la paroi chauffante en régime d'ébullition nucléée. L'expérience est réalisée avec de l'eau à pression atmosphérique en utilisant des diagnostics optiques rapides (4000 images par seconde) et à l'échelle microscopique. La surface d'ébullition est constituée d'un film d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) déposée sur une fenêtre transparente en MgF2. La bulle est déclenchée par un chauffage local avec un laser infrarouge (IR). Nous étudions la dynamique et le transfert de chaleur d'une microcouche liquide qui peut se former entre la paroi et la bulle. Des mesures simultanées et synchronisées du profil de la microcouche, de la forme macroscopique de la bulle et de la température de la paroi sont obtenues respectivement par interférométrie en lumière blanche, par ombroscopie latérale et par thermographie IR. Le flux de chaleur de la paroi est reconstruit en utilisant la distribution de la température de la paroi. Une nouvelle caractéristique de la forme de la microcouche a été détectée : une bosse dans le profil de la microcouche qui apparaît au stade initial de la croissance de la bulle. Une théorie simple qui nous permet d'expliquer cette bosse est présentée. La bosse est expliquée par la croissance rapide des bulles et par l'interaction des forces visqueuses et capillaires agissant dans la microcouche pendant sa formation. Nous décrivons également une simulation numérique 2D de la dynamique de la microcouche qui montre un bourrelet de démouillage mis en évidence dans les simulations numériques précédentes près de la ligne de contact et une bosse plus éloignée. Un bon accord est trouvé entre les profils de microcouche simulés et expérimentaux dans la région de la bosse. Nous montrons que le démouillage est accéléré par l'évaporation, ce qui entraîne la formation d'un large bourrelet aux premiers stades de la croissance des bulles. Nos résultats montrent que l'amincissement de la microcouche dans le temps est dû à son évaporation. La résistance thermique mesurée à l'interface liquide-vapeur est plusieurs fois plus grande que sa valeur théorique et semble grossir dans le temps, ce qui est expliqué par une faible contamination de l'eau.

This work consists of an experimental study of the microscale physical phenomena occurring during the growth of a single bubble attached to the heater at nucleate boiling. The experiment is performed with water at normal conditions by using the state-of-the-art high-speed (4000 frames per second) and microscopic-scale optical diagnostics. The boiling surface consists of an indium-tin oxide (ITO) film deposited on the transparent MgF2 porthole. The ITO heating is performed locally with an infrared (IR) laser directed from below. We study the liquid microlayer that can form between the heater and the bubble. Simultaneous and synchronous measurements of the microlayer profile, macroscopic bubble shape and wall temperature are obtained by the white-light interferometry, sidewise shadowgraphy and IR thermography, respectively. The wall heat ux is reconstructed using the wall temperature distribution. A new feature in the microlayer shape has been detected: a bump in the microlayer profile that appears at the initial stage of the bubble growth. A simple theory that allows us to explain the bump is presented. The bump is explained by the fast bubble growth accompanied by the bubble edge deceleration and as an interplay of viscous and capillary forces acting in the microlayer during its formation. We also describe a 2D numerical simulation of microlayer dynamics that shows both a dewetting ridge evidenced in earlier numerical simulations near the contact line and a bump farther away. A good agreement is found between the simulated and experimental microlayer profiles in the bump region. We show that the dewetting is accelerated by evaporation, which leads to the formation of a large dewetting ridge at the initial stages of bubble growth. Our results also show that the microlayer thinning in time is due to its evaporation. The measured thermal resistance at the liquid-vapor interface is a few times larger than its theoretical value and seems to grow in time, which suggests the water weak contamination as its cause.