Design, modélisation, fabrication et caractérisation d'un micro dispositif pour l'étude des écoulements alternés - Application à la récupération et la conversion d’énergie

Design, modeling, fabrication and characterization of a micro-device for the study of alternating flow - Application to energy harvesting and conversion

• Auteur / Autrice : Jean Kovchar
• Direction : Michel de Labachelerie, Magali Barthès, François Lanzetta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Gaël Maranzana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Skandar Basrour, Stéphane Colin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Énergie -- Conversion directe

Mots clés libres

Ecoulements gaz alternés

Micro dispositif

Micro fabrication

Sonde Platine

Membrane PDMS

Récupération d'énergie

Alternate gas flows

Micro-Device

Microfabrication

Pt probe

PDMS membrane

Energy harvesting

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude d'écoulements alternés au sein de canaux de dimensions milli- et sub-millimétriques. Ces travaux visent à contribuer à l'optimisation d'une machine miniature (dimensions sub-millimétriques) de récupération et de conversion d'énergie basse température (T < 200 °C) basée sur le principe du cycle de Stirling. Ceci s'inscrit dans le contexte de valorisation de la chaleur fatale encore non exploitée dans de nombreux milieux industriels. Dans les machines de type Stirling, les écoulements du fluide de travail sont alternés. Bien que ces écoulements soient assez bien connus à l’échelle macroscopique, ils le sont très peu à échelle milli et sub-millimétrique. Or une bonne compréhension de ce type d’écoulement à ces échelles est primordiale lors des phases de dimensionnement et design des machines. Afin de contribuer à la caractérisation des écoulement alternés à ces petites échelles, des canaux dont les dimensions sont proches de celles de la machine miniature ont été réalisés par des moyens technologiques de microfabrication au sein de la centrale technologique MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST. Les canaux réalisés ont un diamètre hydraulique variant entre 200 µm et 1 mm, un rapport d'aspect compris entre 0.1 et 1 et deux longueurs de canal différentes (25 mm et 50 mm). Des canaux avec des coudes ont également été réalisés afin d'étudier leur influence sur les caractéristiques de l'écoulement. Ces canaux ont ensuite été implémentés sur le banc expérimental. Dans un premier temps, l'étude a porté sur la caractérisation des écoulements permanents, dans la gamme de Reynolds de 15 à 510, dont les résultats, en accord avec ceux issus de la littérature, ont servi de référence pour l'étude d'écoulements alternés, menée par la suite dans une gamme de nombres de Womersley allant de 0.02 à 0.67.La caractérisation des écoulements alternés a permis de déterminer que le rapport d'aspect et le diamètre hydraulique des canaux affectent significativement l'écoulement. En revanche, les travaux issus de cette thèse ont montré que l'influence de la longueur du canal ainsi que la présence de singularités (coudes) sur les caractéristiques de l'écoulement ne semblent pas être aussi déterminantes qu'attendu.Parmi les paramètres testés au cours de cette thèse, il a été montré que le rapport d'aspect et le diamètre hydraulique des canaux sont des paramètres importants à prendre en compte dans le design de micro machines de Stirling, notamment afin de ne pas impacter considérablement son efficacité.

This thesis focuses on the study of alternating flows within milli- and sub-millimeter-sized channels. The aim is to contribute to the optimization of a miniature (sub-millimeter dimensions) low-temperature (T < 200 °C) energy recovery and conversion machine based on the Stirling cycle principle. This is in line with the recovery of waste heat which is still not exploited in many industrial environments. In Stirling-type engines, the working fluid flows in alternating directions. Although these flows are fairly well understood on a macroscopic scale, very little is known about them on milli and sub-millimeter scales. However, a good understanding of this type of flow at these scales is essential for engine dimensioning and design. In order to contribute to the characterization of alternating flows at these small scales, channels with dimensions close to those of the miniature machine were produced using microfabrication technology. The channels produced have a hydraulic diameter ranging from 200 µm to 1 mm, an aspect ratio between 0.1 and 1, and two different channel lengths (25 mm and 50 mm). Channels with bends were also built to study their influence on flow characteristics. These channels were then implemented on the experimental bench. Initially, the study focused on the characterization of permanent flows, in the Reynolds range from 15 to 510, whose results, in agreement with those from the literature, served as a reference for the study of alternating flows, carried out in a second step with a Womersley number ranging from 0.02 to 0.67. The characterization of alternating flows has shown that the aspect ratio and the hydraulic diameter of the channels affect the flow significantly. On the other hand, this thesis has shown that the influence of channel length and the presence of singularities (bends) on the flow characteristics do not appear to be as decisive as expected. Consequently, among the parameters tested in this thesis, the aspect ratio and hydraulic diameter of the channels are important parameters to take into account for the design of the micro Stirling machine, especially to avoid impacting considerably its efficiency .