Evaporation, coalescence de gouttes et formation de films au voisinage d'une source de chaleur refroidie par aspersion d'eau

Evaporation, droplet coalescence and film formation in the vicinity of a heat source cooled by water spraying

• Auteur / Autrice : Damien Thomas
• Direction : Stéphane Zaleski, Stéphanie Lacour
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)

Mots clés

Mots clés libres

Refroidissement évaporatif d'une source de chaleur

Interactions thermo-hydro-dynamiques dans un écoulement diphasique

Dépôts de gouttes

Formation de films

Evaporative cooling of a heat source

Thermo-hydro-dynamic interactions in two-phase flow

Droplet deposition

Film formation

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'apporter une contribution à la compréhension des mécanismes qui conduisent à l'apparition de films obstruant l'écoulement d'air dans des sources de chaleur à géométrie complexe. Pour le refroidissement, les quantités d'eau injectées sont importantes et le recours à des gouttes de taille intermédiaire permet d'augmenter les quantités d'eau en assurant une bonne maîtrise des trajectoires des gouttes. Ces grosses quantités induisent des perturbations de l'écoulement d'air dans la zone de mélange. Des vortex apparaissent dans le sillage du spray et piègent les gouttes les plus petites et les plus évaporables tandis des flux de masse les plus importants sont observés en périphérie de ces vortex. Des phénomènes dépressionnaires apparaissent également et perturbent l'évaporation des gouttes. Ils réduisent l'efficacité de refroidissement en occasionnant des oscillations sur les flux thermiques évacués. Le contrôle des quantités d'eau dans l'écoulement nécessite d'intégrer ces effets spatiaux pour développer des stratégies de brumisation performantes. Les sources de chaleur sont refroidies grâce à des ailettes de refroidissement, qui constituent un réseau de canaux et sont disposées dans l'écoulement afin d'augmenter la surface d'échange air/source. L'écoulement d'air est accéléré à l'intérieur de ces canaux et les sprays, injectés en amont sont alors reconcentrés. Lorsque les concentrations sont trop importantes, des films d'eau se développent etobstruent les canaux qui deviennent alors inutiles pour le refroidissement. On étudiera les outils permettant un maquettage numérique d'objets complexes pour lesquels on cherche à prédire les effets de contrepressions liés à la formation de films d'eau dans les sections de passage de l'air, les effets thermiques associés à l'évaporation et les effets de ruissellements associés aux excès d'eau. Le travail de thèse vise à mieux comprendre ces phénomènes parasites résultant des interactions thermo-hydro-dynamiques entre l'air, les gouttes d'eau et la surface chauffante. Les questions de recherche abordées avec ce sujet portent sur : - Etude de l'évolution d'un spray au passage d'un rétrécissement de section - Analyse de la formation d'un film en fonction des flux de chaleur à évacuer - Formalisation de valeurs critiques exprimant la transition d'un régime d'écoulement traversant à un régime de blocage

The objective of this thesis is to contribute to the understanding of the mechanisms that lead to the appearance of films obstructing the airflow in heat sources with complex geometry. For cooling, the quantities of water injected are important and the use of intermediate size drops allows to increase the quantities of water while ensuring a good control of the trajectories of the drops. These large quantities induce disturbances in the airflow in the mixing zone. Vortexes appear in the wake of the spray and trap the smallest and most evaporable drops while the largest mass flows are observed at the periphery of these vortexes. Depressional phenomena also appear and disturb the evaporation of the drops. They reduce the cooling efficiency by causing oscillations in the evacuated heat flows. The control of water quantities in the flow requires the integration of these spatial effects to develop efficient misting strategies. The heat sources are cooled by cooling fins, which form a network of channels and are arranged in the flow to increase the air/source exchange area. The air flow is accelerated inside these channels and the sprays, injected upstream, are then reconcentrated. When the concentrations are too high, water films develop and obstruct the channels which then become useless for cooling. Tools for numerical modelling of complex objects will be studied, for which the effects of counterpressures linked to the formation of water films in the air passage sections, the thermal effects associated with evaporation and the run-off effects associated with excess water will be predicted. The thesis work aims to better understand these parasitic phenomena resulting from the thermo-hydro-dynamic interactions between the air, the water droplets and the heating surface. The research questions addressed by this subject are - Study of the evolution of a spray as it passes through a cross-sectional constriction - Analysis of the formation of a film as a function of the heat fluxes to be evacuated - Formalisation of critical values expressing the transition from a through-flow regime to a blocking regime