Influences de la d´etection de contour et de l’indice optique

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INTRODUCTION

La pr´esente th`ese s’inscrit dans un projet impliquant plusieurs laboratoires et des partenaires industriels, dont Peugeot-Citro¨en, r´eunis dans le but de permettre l’industrialisation d’un type de caloduc encore mal connu. Ce caloduc, dit « oscillant », est pressenti pour assurer l’avenir du refroi-dissement des composants ´electroniques, dans des secteurs allant de l’informatique aux groupes mo-topropulseurs. Le caloduc oscillant, convoit´e et prometteur pour l’industrie, est ´egalement un objet fascinant d’un point de vue scientifique. Les ph´enom`enes physiques qui r´egissent son fonctionnement sont divers et vari´es, et laissent le champ libre a` une grande vari´et´ d’approches exp´erimentales et th´eoriques. Dans cette premi`ere partie, nous nous attachons a` d´ecrire le caloduc oscillant et son fonctionnement global, et a` expliquer pour quelles raisons il est prometteur pour l’industrie. Enfin, nous pr´esentons dans quelles mesures notre ´etude est un jalon fondamental a` sa future utilisation.

Motivations

Le besoin de refroidissement

Le contexte global dans lequel s’inscrivent ces travaux est celui de l’augmentation des densit´es de puissances dans diverses branches de l’industrie. Les techniques de refroidissement traditionnelles sont en limite de capacit´e face aux densit´es de flux a` ´evacuer dans des domaines aussi divers que l’´electronique, le spatial, et l’automobile.
En ´electronique, pour assurer un fonctionnement optimal aux composants, la r´egulation en tem-p´erature est indispensable. Cependant, les techniques de refroidissement traditionnelles ne sont plus suﬃsantes : la taille des semi-conducteurs a fortement diminu´ee en mˆeme temps que leur puissance a explos´e, ce qui engendre des densit´es de flux importantes `a ´evacuer. L’´evacuation de ces flux ther-miques est actuellement la principale limite `a leur d´eveloppement. Dans ses travaux, Azar [12] dresse un ´etat des lieux de l’augmentation des puissances `a ´evacuer sur les processeurs, qui passent de moins de 1 W dans les ann´ees 80 `a quasiment 50 W `a l’aube de l’an 2000. Depuis, la miniaturisation et l’av`enement de la nano´electronique a r´ehauss´ le d´efi : l’am´elioration de la vitesse de commutation des transistors a conduit `a des points chauds sur les microprocesseurs, o`u les densit´es de flux `a ´eva-cuer peuvent atteindre localement 1 kW · cm−2 [13]. Les techniques de refroidissement par simple circulation d’air avec des ventilateurs ne sont donc plus adapt´ees. Dans sa th`ese publi´ee en 2004 [67], Khandekar liste les m´ethodes connues et envisag´ees de refroidissement de l’´electronique, en fonction de leurs performances en terme de coeﬃcient de transfert thermique. Les dispositifs `a une seule phase (circulations naturelle ou forc´ee de fluide) sont supplant´es par les technologies utilisant les ´echanges thermiques diphasiques, plus eﬃcaces, parmi lesquels on compte les caloducs.
A l’image du secteur de l’´electronique, une grande partie de l’industrie est face a` ce probl`eme. Dans l’automobile, les nouveaux moteurs hybrides sont soumis a` des r´egimes de fonctionnement essentiellement transitoires. Les phases de d´emarrage, acc´el´eration, freinage, occasionnent des va-riations et pics de puissance, et des flux importants a` ´evacuer. Les industriels se tournent a` pr´esent vers des solutions plus innovantes et plus performantes, telles que les caloducs. La premi`ere caract´e-ristique recherch´ee, quel que soit le champ d’application, est avant tout une capacit´e de transfert au moins de l’ordre de 300 W · cm−2, coupl´ee a` une taille la plus restreinte possible, une bonne fiabilit´e (absence de pi`ece m´ecanique en mouvement, absence de fuites…), et la simplicit´e de fonctionnement et de fabrication (qui assure un coˆut raisonnable).

Principe du caloduc

Le caloduc est un lien thermique destin´ a` transf´erer la chaleur d’un point A a` un point B. Plus pr´ecis´ement, il s’agit d’un syst`eme de transfert thermique diphasique, c’est-a`-dire faisant intervenir les eﬀets du changement de phase dans son fonctionnement.
En pratique, il s’agit d’un tube rempli de fluide, qui relie un point chaud appel´ « ´evaporateur » a` une source froide appel´ee « condenseur », comme le montre la figure 1.1. Entre les deux, la lon-gueur de tube est nomm´ee « section adiabatique ». Cˆot´e ´evaporateur, l’application d’une puissance r´echauﬀe et vaporise le fluide. La l´eg`ere diﬀ´erence de pression qui existe entre l’´evaporateur et le condenseur permet a` la vapeur de se d´eplacer jusqu’au point froid. Elle y est refroidie et condens´ee. Le retour de la phase liquide vers l’´evaporateur s’eﬀectue de diﬀ´erentes mani`eres, selon le type de caloduc. Par exemple, pour un thermosiphon (figure 1.1(a)), le tube est plac´e verticalement, conden-seur au-dessus de l’´evaporateur. C’est donc simplement la gravit´e qui assure le retour du liquide, plus lourd, vers le bas. Dans le cas des boucles fluides a` pompage capillaire (figure 1.1(b)), l’ajout d’un mat´eriau poreux permet au liquide de retourner a` l’´evaporateur, par capillarit´e. Dans ce cas, la gravit´e n’est pas n´ecessaire. Il est donc pr´ef´er´ pour les applications spatiales. Pour les deux types de caloducs evoqu´es, l’´energie est transf´er´ee par chaleur latente, et la circulation du fluide est r´ealis´ee de mani`ere passive, c’est-a`-dire sans pompe ni pi`ece m´ecanique en mouvement. Le tube contenant le fluide est g´en´eralement en m´etal, parfois en verre pour les besoins d’exp´eriences scien-tifiques. Le fluide est choisi en fonction de la plage de temp´rature dans laquelle va fonctionner le caloduc. Le mat´eriau poreux, utilis´e pour les boucles a` pompage capillaire, est en poudre m´etallique (nickel, cuivre…) ou en mati`eres plastiques. Les longueurs s´eparant ´evaporateur et condenseur vont de quelques centim`etres a` plusieurs dizaines de m`etres, et le diam`etre des tubes s’´echelonne d’un millim`etre a` quelques centim`etres, selon l’application.

Caloducs oscillants

Fonctionnement

Le caloduc oscillant, ou Pulsating Heat Pipe (PHP), fait partie de la famille des caloducs. A ce titre, il relie un ´evaporateur et un condenseur en traversant la section adiabatique, tels que pr´esent´es sur la figure 1.2. Le tube du caloduc oscillant est un capillaire lisse. Son diam`etre est inf´erieur `a la longueur capillaire du fluide qu’il contient. Le fluide est pr´esent sous forme diphasique ; il est divis´e en une succession de bouchons de liquide et de bulles de vapeur (figure 1.2). La distribution des bouchons et bulles est assur´ee par la dimension capillaire du canal.
Le fluide caloporteur est pur. La pression a` l’int´erieur des bulles de vapeur fluctue en raison des changements de temp´erature selon la zone o`u elles se trouvent. En partie chaude, l’´evaporation du liquide provoque une augmentation de la masse de vapeur et de la pression dans la bulle. En partie froide, c’est l’inverse : la condensation abaisse la pression dans la bulle. Les pressions qui r`egnent au sein des diﬀ´erentes bulles sont donc en permanence d´es´equilibr´ees. Il s’ensuit un mouvement oscillatoire relativement anarchique des bulles les unes par rapport aux autres,

Table des matières

Liste des figures
Liste des tables
Nomenclature
1. INTRODUCTION
1.1. Motivations
1.1.1. Le besoin de refroidissement
1.1.2. Principe du caloduc
1.2. Caloducs oscillants
1.2.1. Fonctionnement
1.2.2. Param`etres d´eterminants
1.2.2.1. G´eom´etrie
1.2.2.2. Fluide de travail
1.2.2.3. Conditions op´eratoires
1.2.3. Performances
1.2.4. Enjeux industriels
1.3. Syst`eme monobranche
1.3.1. Moteur pop-pop : digression r´ecr´eative
1.3.2. Description d’un caloduc oscillant monobranche
1.3.3. ´Etudes exp´erimentales ant´erieures
1.3.3.1. ´Etat thermodynamique de la vapeur
1.3.3.2. Impact des chaleurs latente et sensible
1.3.3.3. Visualisation de l’oscillation
1.4. Ph´enom`enes li´es au mouvement des interfaces
1.4.1. ´Ecoulement de bulles de Taylor
1.4.2. ´Etudes exp´erimentales des films
1.4.3. ´Evaporation `a la ligne triple
1.5. Mod´elisations
1.5.1. Approches 1D
1.5.2. Approches 2D et 3D
1.6. Position du probl`eme et objectifs de la th`ese
2. DISPOSITIF EXP´ ERIMENTAL
2.1. Description de l’installation
2.1.1. Vue d’ensemble
2.1.2. R´eservoir
2.1.3. ´Evaporateur et condenseur
2.2. Instrumentation thermique
2.2.1. Mesure de pression
2.2.2. Mesure de temp´erature
2.2.3. Supervision
2.3. Protocole exp´erimental
2.3.1. Phase de purification
2.3.2. D´emarrage de l’oscillation et recherche d’un point de fonctionnement
2.3.3. Oscillations en r´egime ´etabli
3. TECHNIQUES OPTIQUES
3.1. Obtention du profil du film – D´eflection de grille
3.1.1. Principe
3.1.2. Expression analytique de la d´eflection en 2D
3.1.3. Prise en compte des effets 3D
3.1.3.1. Hypoth`ese
3.1.3.2. D´efinition des rep`eres
3.1.3.3. Calcul de la d´eflection pour chaque point
3.1.4. Int´egration
3.1.5. Algorithme de traitement d’image
3.2. Mesure de l’´epaisseur centrale – Interf´erom´etrie
3.2.1. Principe
3.2.2. Fonctionnement du spectrom`etre
3.2.3. Traitement des signaux
3.2.4. Mise en oeuvre
3.3. Reconstruction 3D compl`ete
3.3.1. Calcul de l’´epaisseur
3.3.2. Mesure de l’angle de contact apparent
3.4. Incertitudes de mesure
3.4.1. ´Etalonnage de la mesure de pente
3.4.2. Influences de la d´etection de contour et de l’indice optique
3.4.3. ´Etalonnage de la mesure d’´epaisseur
3.4.4. Mesure de l’´epaisseur en oscillations forc´ees
4. DYNAMIQUE DE L’OSCILLATION
4.1. ´Equation de mouvement
4.1.1. Bilan des forces en volume ouvert
4.1.2. Pertes de charge singuli`eres
4.2. Introduction de la dissipation visqueuse
4.2.1. ´Equation de Navier-Stokes lin´earis´ee
4.2.2. Expression du frottement pour un ´ecoulement de Poiseuille
4.2.3. G´en´eralisation `a un ´ecoulement oscillant
4.3. Pulsation de l’oscillation
4.3.1. Introduction de la longueur de masse ajout´ee et lin´earisation
4.3.2. Pulsation propre
4.4. ´Etude de l’influence du changement de phase sur la pulsation
4.4.1. D´etermination de la pulsation et de l’amortissement
4.4.2. Calcul de la pulsation propre pour un m´elange vapeur-air
4.5. Influence de la dissipation sur l’oscillation amortie
4.5.1. Adimensionnement de l’´equation (4.57)
4.5.2. Cas Poiseuille
4.5.3. R´esultats et conclusions
4.6. Reconstruction de la position du m´enisque `a partir du signal de pression
4.6.1. Algorithme num´erique de r´esolution
4.6.2. Comparaison avec l’exp´erience
4.6.3. ´Evolution de la masse de vapeur
4.7. Conclusions
5. DYNAMIQUE DU FILM LIQUIDE
5.1. Observations exp´erimentales – s´equence d’apparition et disparition des films
5.2. Zone centrale du film
5.2.1. ´Epaisseur de d´epˆot – Film de Landau-Levich-Derjaguin
5.2.2. Pente de la zone centrale
5.2.3. D´etermination de la temp´erature de paroi
5.3. Bourrelet et effets de la ligne triple
5.3.1. Angle de contact statique
5.3.2. D´emouillage visqueux isotherme
5.3.2.1. Probl`eme multi-´echelles
5.3.2.2. R´egion microscopique
5.3.2.3. R´egion interm´ediaire
5.3.2.4. R´egion macroscopique
5.3.3. Dynamique de la ligne triple en pr´esence d’´evaporation
5.3.3.1. R´egion microscopique
5.3.3.2. R´egions interm´ediaire et macroscopique
5.3.4. Caract´eristiques g´eom´etriques et ´evolution
5.3.5. Effet de la gravit´e sur le bourrelet
5.3.6. Forme trap´ezo¨ıdale
5.3.7. Confrontation des r´esultats exp´erimentaux `a la th´eorie
5.3.7.1. ´Evolution compar´ee de l’angle apparent et de l’angle de Voinov
5.3.7.2. Influence de la surchauffe de paroi sur l’angle de Voinov
5.3.7.3. Relation entre l’angle de contact et la vitesse de la ligne triple
5.4. Conclusions
6. CONCLUSION
Bibliographie
A. Diagramme des proc´ed´es de l’installation
B. Propri´et´es thermophysiques de l’´ethanol
C. Liens vid´eos
C.1. Bateau pop-pop
C.2. R´egimes d’oscillation
D. D´etermination de l’indice de la transformation et influence sur la pulsation
D.1. Objectif
D.2. Constatations exp´erimentales
D.3. Utilisation des harmoniques fondamentales
D.4. ´Equation de mouvement
D.5. ´Evaluation de la pulsation
E. Programme de traitement d’images
Postface
R´esum´e
Abstract