Intensification électrohydrodynamique des transferts thermiques par ébullition d'un fluide diélectrique

hydrodynamic boiling heat transfer enhancement in a dielectric fluid

• Auteur / Autrice : Tianle Gu
• Direction : Samuel Siedel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Ebullition

Intensification des transferts thermiques

Ehd

Boiling

Ehd

Heat Transfer Enhancement

Résumé

L'électrohydrodynamique, ou EHD, fait référence au couplage entre champs électriques et écoulements fluides. Lorsqu'un fluide est soumis à un champ électrique, différents types de forces surfaciques et volumiques d'origine électrique peut être générées et participer à l'écoulement. De même, comme les propriétés électriques du fluide peuvent varier en son sein, l'écoulement modifie le champ de propriétés électriques et peut donc potentiellement modifier le champ électrique lui-même. Comme le champ électrique au sein d'un fluide peut être imposé par des électrodes externes, l'électrohydrodynamique a été identifiée depuis plusieurs décennies comme un moyen d'action sur les écoulements. Un des objectifs en particulier peut être d'intensifier les transferts thermiques. En effet, les transferts convectifs et par changement de phase dépendent fortement de la nature de l'écoulement qui peut être modifié de manière opportune par les champs électriques. C'est particulièrement vrai du fait que les propriétés électriques telles que la conductivité et la permittivité sont généralement dépendantes de la température et de la phase. Laohalertdecha [1] mentionne un facteur d'intensification des transferts thermiques pouvant atteindre plusieurs dizaines dans le cas de l'ébullition. Les mécanismes d'intensification des transferts thermiques par ébullition sont nombreux et complexes. A l'échelle d'une bulle, la topologie de l'interface, la dynamique de croissance et le processus de détachement sont impactés [2]. Les interactions entre bulles voisines sont également modifiées [3]. Ces mécanismes ne sont actuellement pas totalement compris du fait de la diversité des comportements pouvant être observés en fonction de la nature du fluide ou du type de champ électrique imposé [4]. En ce qui concerne les bénéfices de l'EHD sur l'ébullition, en plus de l'intensification des transferts, on peut noter que les champs électriques peuvent être utilisés pour compenser la faible gravité dans des applications d'ébullition en pesanteur réduite. D'autre part, le caractère actif de cette technique d'intensification des transferts ouvre la porte à un contrôle des coefficients de transferts thermiques durant l'ébullition. Enfin, on peut aussi noter que l'intensification EHD peut être favorisée dans des applications présentant naturellement des champs électriques intenses, comme par exemple pour le refroidissement par ébullition directe pour l'électronique de puissance. Les objectifs de cette thèse sont les suivants. On cherchera à optimiser les géométrie d'électrode dans le cas de l'ébullition de fluides diélectriques non-polaires (ayant de bonnes propriétés diélectriques pour le refroidissement d'électronique) afin de maximiser l'intensification des transferts thermiques et de pallier aux faibles performances thermiques desdits fluides. L'influence de la fréquence d'actuation de champs électriques AC sur l'ébullition en vase sera aussi étudiée. Enfin, la possibilité (preuve de concept) d'un contrôle de température actif par intensification EHD de l'ébullition sera recherchée. [1] S. Laohalertdecha, P. Naphon, and S. Wongwises. A review of electrohydrodynamic enhancement of heat transfer. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(5):858–876, 2007. [2] S. Siedel, S. Cioulachtjian, A.J. Robinson, and J. Bonjour. Electric field effects during nucleate boiling from an artificial nucleation site. Experimental Thermal and Fluid Science, 35(5):762–771, 2011. [3] S. Siedel, S. Cioulachtjian, A.J. Robinson, and J. Bonjour. Lateral coalescence of bubbles in the presence of a DC electric field. International Communications in Heat and Mass Transfer, 76:127-132, 2016. [4] M. Gao, P. Chang, and X. Quan. An experimental investigation on effects of an electric field on bubble growth on a small heater in pool boiling. Internation Journal of Heat and Mass Transfer, 67:984-991, 2013. [5] V. Pandey, G. Biswas, and A. Dalal. Saturated film boiling at various gravity levels under the influence of electrohydrodynamic forces. Physics of Fluids, 29:032104, 2017.

Electrohydrodynamics, or EHD, refers to the coupling between electric fields and fluid flows. When a fluid is submitted to an electric field, different types of volume and surface body forces of electric origin may arise and contribute to the flow. Inversely, as the electrical properties of the fluid may vary within the fluid, its flow modifies the electrical property fields and may consequently affect the electric field itself. As the electric field within the fluid can be imposed by external electrodes, electrohydrodynamics has been identified for decades as a possible active flow actuator. One particular objective of electrohydrodynamics can be to enhance heat transfers. Indeed, convective and liquid-vapour phase change heat transfers are strongly dependent on the nature of the flow which may be favourably improved by the influence of electric fields. This is particularly true since electrical properties such as permittivity and conductivity are commonly temperature and phase dependent. Laohalertdecha [1] noted up to several dozens the possible heat transfer enhancement in the case of boiling. The mechanisms that enhance heat transfer in the case of EHD boiling are multiple and complex. At bubble scale, the interface shape, the growth dynamics and the detachment process are impacted [2]. The interactions between neighboring bubbles are also modified [3]. These mechanisms are however still not completely understood as different behaviors may be encountered depending on the nature of the fluid and on the type of electric field applied [4]. Concerning the benefits of applying electric field to boiling process, apart from the heat transfer enhancement itself, it can be noted that electric fields can partially compensate for the lack of gravitational acceleration when boiling at reduced gravity [5]. Also, the active nature of the applied electric fields open possibilities to control the heat transfer coefficients during boiling. Finally, it can also be noted that electrohydrodynamic enhancement can be promoted when electric fields are naturally present like in the case of direct boiling cooling for power electronics. The objectives of this thesis are the following. For the case of non-polar dielectric fluids (i.e. with appropriate electrical insulation properties for electronic cooling), geometrical optimization of the electrode will be explored in order to maximize the EHD enhancement and to overcome the limited thermal performance of such fluids. The influence of the AC electric frequency in pool boiling will be investigated, and the possibility (proof of concept) of a temperature control by active EHD enhancement will be looked for. [1] S. Laohalertdecha, P. Naphon, and S. Wongwises. A review of electrohydrodynamic enhancement of heat transfer. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(5):858–876, 2007. [2] S. Siedel, S. Cioulachtjian, A.J. Robinson, and J. Bonjour. Electric field effects during nucleate boiling from an artificial nucleation site. Experimental Thermal and Fluid Science, 35(5):762–771, 2011. [3] S. Siedel, S. Cioulachtjian, A.J. Robinson, and J. Bonjour. Lateral coalescence of bubbles in the presence of a DC electric field. International Communications in Heat and Mass Transfer, 76:127-132, 2016. [4] M. Gao, P. Chang, and X. Quan. An experimental investigation on effects of an electric field on bubble growth on a small heater in pool boiling. Internation Journal of Heat and Mass Transfer, 67:984-991, 2013. [5] V. Pandey, G. Biswas, and A. Dalal. Saturated film boiling at various gravity levels under the influence of electrohydrodynamic forces. Physics of Fluids, 29:032104, 2017.