Etude expérimentale de la dissipation de chaleur produite pas des impacts de gouttes multiples sur des parois texturées

Experimental study of heat dissipation produced by multiple drop impacts on a textured surface

• Auteur / Autrice : Thomas Potaufeux
• Direction : Guillaume Castanet, Ophélie Caballina
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 28/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

Mots clés

Mots clés libres

Gouttes

Refroidissement par spray

Ébullition

Transferts de chaleur et de masse

Heat and mass transfer

Spray cooling

Boiling

Droplets

Résumé

L'impact d'un spray de gouttes sur une surface chaude constitue un des procédés d'extraction de flux thermique les plus efficaces. Au contact de la paroi, le liquide s'échauffe et entre en ébullition ce qui permet d'extraire des flux de chaleur très élevés. Le procédé se caractérise également par un refroidissement relativement uniforme en lien avec la répartition spatiale des impacts de gouttes. En raison de ces nombreux avantages, le procédé est vu comme une solution prometteuse pour refroidir les processeurs des supercalculateurs, les serveurs des datacenters qui nécessitent pour fonctionner de dissiper des flux de chaleur de plus en plus élevés. Toutefois, le flux de chaleur reste difficile à contrôler car les phénomènes associés à l'impact d'une goutte sur une surface surchauffée sont encore assez peu connus. La mise en œuvre de mesures quantitatives est limitée par la rapidité du phénomène d'impact et la difficulté d'accès optique pour observer les phénomènes au plus près de la surface solide. De récentes innovations, basées notamment sur l'imagerie de fluorescence induite par laser et la thermographie IR, ont permis d'obtenir des images instantanées du champ de température dans la goutte et la distribution du flux de chaleur à la surface de la paroi solide. Cette thèse vise à étudier de façon détaillée le comportement de gouttes et les transferts de chaleur dans plusieurs régimes d'ébullition en s'appuyant sur ces techniques de mesure innovantes. Jusqu'à présent, les principales études dans le domaine se sont limitées à des parois lisses et des gouttes individuelles. Le but sera également d'étendre les observations à des impacts de gouttes multiples et des surfaces d'échange micro/nano-texturées. En contrôlant la distance et le temps entre les impacts de plusieurs gouttes, des données nouvelles permettront d'améliorer la compréhension des effets d'interaction entre les gouttes voisines dans les sprays qui réduisent l'efficacité du refroidissement. Modifier la surface d'échange à l'échelle nano/microscopique est une solution prometteuse pour intensifier le refroidissement. Des études seront également menées pour mettre en évidence l'effet de différentes texturations et fonctionnalisation de la surface d'échange. Finalement, des sprays et des réseaux de jets de gouttes monodisperses seront considérés pour étudier le refroidissement de surfaces lisses et texturées. Les mesures permettront de qualifier l'efficacité des dispositifs de refroidissement et de promouvoir de futures applications industrielles.

The impact of droplets on a hot surface is one of the most efficient heat extraction methods. When the liquid meets a superheated wall, it heats up and starts boiling, which allows very high heat flux to be dissipated. The process also allows to achieve a relatively uniform cooling thanks to the spatial distribution of drop impacts. Due to these many advantages, spray cooling is seen as a promising solution for the cooling of supercomputer processors, the servers in data centers, which requires during operation the dissipation of increasingly high heat flux densities. However, controlling the heat flux remains difficult because the phenomena associated with the drop impact and heat transfers are still poorly understood. Quantitative measurements are limited by the rapid nature of the impact process and the smallness of the droplet sizes. Advanced optical techniques, based on laser-induced fluorescence imaging and IR thermography, have recently been successful to obtain instantaneous images of the temperature field inside spreading droplets and the heat flux distribution at the solid surface. This thesis aims to study the dynamics of droplets and heat transfer in several boiling regimes using these innovative measurement techniques. Until now, studies in the field have mostly focused on smooth surfaces and single-drop impacts. The research work will be extended to multiple drop impacts and micro/nano-textured surfaces. Through the control of the spacing and the time shift between impacts of a few droplets, experiments will generate new data to better understand the interaction effects between neighboring droplets in sprays which are known to reduce the cooling efficiency. The modification of the solid surface at the nano/microscopic scale is a promising solution to intensify the cooling performance. To address this topic, experimental studies will also be conducted with different types of surface texture and functionalization. Finally, the case of real sprays and monosized droplet arrays will be considered in the experiments for wall surfaces with or without texturing. Measurements will help to qualify the efficiency of cooling devices and promote future industrial applications.