Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamique

Influence de la surface d’impacte

L’amélioration du refroidissement par pulvérisation en modifiant la structure de la surface est une approche efficace et peu coûteuse, qui permet une gestion optimale des liquides et favorise l’efficacité du refroidissement local. Selon la taille de la structure, la surface améliorée est classée en quatre catégories : surface mini-structurée, surface micro-structurée, surface nanostructurée et surface à structure hybride. La plupart des premières études sur le refroidissement par pulvérisation ont été menées sur des surfaces planes. Quelques-unes d’entre elles se concentrent sur les effets de la rugosité de surface vis à vis de l’amélioration du refroidissement. Pais et al. [54] ont fabriqué trois surfaces rugueuses avec des grains de polissage allant de 0,3 à 22 µm et ont examiné l’influence de la rugosité sur les capacités d’évacuation de la chaleur. Les tests ont montré que, lorsque la rugosité de la surface diminue, le CHF (flux de chaleur critique) augmente. Il est de l’ordre de 1200 W/cm2 à la surface pour un polissage de 0,3 µm mais il atteint seulement 1000 W/cm2 en surface pour un polissage de 22 µm. Ceci est dû au fait que la grande rugosité de surface engendre une épaisseur importante du film liquide, entraînant la rupture et le départ tardifs des bulles ; Ainsi qu’une résistance amplifiée du flux de chaleur par évaporation à la surface du film et une atténuation de l’impact des gouttelettes [85]. Les surfaces à mini-texture présentent une taille de structure supérieure à 1 mm. Cette dernière peut être une structure d’ailettes à broches cubiques, d’ailettes pyramides ou d’ailettes droites, etc. (Fig. II.27a). Silk et al. [59] ont observé que l’ajout d’une structure à ailettes à une surface refroidie diminue la résistance thermique de convection et augmente le transfert de chaleur par convection par rapport à la surface plane. En effet, la surface totale mouillée est plus grande pour une surface améliorée. Bien que les ailettes à broches cubiques et les ailettes droites aient la même surface mouillée, les performances de refroidissement de la surface des ailettes droites sont supérieures à celles de la surface des ailettes à broches cubiques. Ceci est attribué à la gestion des liquides sur la surface chauffée et à l’efficacité du refroidissement sur la surface mouillée. D’autres études ont indiqué que la disposition des ailettes est un facteur déterminant l’amélioration du transfert de chaleur lorsque la surface est mouillée. Le mauvais agencement des ailettes provoque un film liquide lent et épais, ce qui nuit aux performances de refroidissement locales. Ce point de vue doit encore être vérifié en examinant la variation de température de la surface locale.   Les surfaces structurées micro/nano ou hybrides ont suscité un vif intérêt pour le refroidissement par pulvérisation car la technologie de micro-fabrication a permis de faire progresser de nouvelles surfaces micro/nano-conçues au cours de la dernière décennie (fig. II.27 b, c, d). Fig. II.27 (a) Surface structurée millimétrique [77], (b) Surface micro-structurée [36], (c) Surface nanostructurée [92], (d) Surface hybride micro / nano structurée [93]. Des études expérimentales ont appliqué des surfaces micro-texturées présentant des caractéristiques de surface comprises entre 25 et 480 µm, proche de l’épaisseur du film liquide mais supérieure à la taille moyenne des gouttelettes. Elles ont montré que les surfaces microstructurées ont un léger effet sur l’amélioration du transfert de chaleur dans la zone inondée, mais améliore considérablement les performances de refroidissement dans les régions à film mince et à séchage partiel par rapport à la surface plane [85]. Zhang et al. [92] ont montré que la surface nano-structurée offre de meilleures performances de refroidissement car l’angle de contact est plus faible sur la surface nano-structurée par rapport aux surfaces micro-structurées et aux surfaces planes. Récemment, Chen et al. [93] ont développé une surface hybride micro/nano-structurée en faisant croître les matrices de nano file de ZnO au-dessus d’une tranche de silicium micro-structurée gravée. Les résultats des tests ont montré que les performances de refroidissement des surfaces hybrides sont meilleures que celles des surfaces micro-structurées en régime d’ébullition en raison de leur grande capacité de mouillage et de la réduction de leur surface de séchage. Si l’on compare les performances de la (a) (b) (c) (d) Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques Page | 95 surface nano-structurée [92] et de la surface hybride [93] , il n’y a pas de différence significative dans l’amélioration du flux de chaleur par rapport à la surface lisse. Fig. II.28 Gouttelettes d’eau de même vitesse et de même diamètre (U 0 = 1,85 m / s, D0 = 3,2 mm) dans trois conditions de surface différentes : a) une surface sèche, b) un film d’eau stationnaire, c) un film d’eau en écoulement [94] . La dynamique d’impact lors du refroidissement par pulvérisation est compliquée car elle implique de nombreux phénomènes, tels que la collision de gouttelettes, la génération de film stationnaire et de film à écoulement radial et l’inondation de liquide, « spreading, receding, splashing ». Tous ces phénomènes d’impact résultent de l’interaction de l’écoulement des gouttelettes et de l’écoulement du film sur la surface d’impact. Le flux de gouttelettes comprend trois types : une gouttelette simple, un train de gouttelettes (gouttelettes continues formées par la rupture du jet) et une rafale de gouttelettes (partie du train de gouttelettes sélectionnée à une certaine fréquence). De manière similaire, les conditions d’écoulement du film impliquent une surface sèche (pas de film), un film fixe, un film circulant radialement ou leur combinaison sur la surface de refroidissement (Fig. II.28). Les conditions d’écoulement des gouttelettes et du film sont deux paramètres d’écoulement qui déterminent directement le mécanisme de transfert de chaleur du refroidissement par pulvérisation. Les gouttelettes du liquide de refroidissement apportent une différence de température significative entre le flux de gouttelettes en expansion et le film fluide, ce qui contribue à la réduction de la résistance thermique à l’intérieur de la couche de film et à Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques Page | 96 l’amélioration du transfert de chaleur de la surface chauffée au flux fluide. La dynamique des fluides sur la surface d’impact régit le transfert de chaleur par convection locale. Le film qui coule rapidement transfère plus de chaleur en aval. L’épaisseur du film mince réduit la couche limite thermique et favorise l’évaporation à partir de l’interface liquide. Par conséquent, l’étude de la dynamique des fluides d’un film affectant les gouttelettes nous permet de mieux comprendre les résultats thermiques de l’impact des gouttelettes sur la surface chaude refroidie par le film et de mieux comprendre les performances de refroidissement par pulvérisation..

Refroidissement par simple goutte d’impact

Impact sur surfaces sèches La surface sèche apparaît généralement dans un refroidissement par pulvérisation en deux phases, comme le montre le changement de longueur de la ligne de contact. Plusieurs études précédentes ont montré que le flux de chaleur critique dans le refroidissement par pulvérisation est atteint à la plus grande longueur de la ligne de contact. Sur une surface sèche, la dynamique de l’impact des gouttelettes sur une surface recouverte de gouttelettes est essentielle aux performances de refroidissement locales. Le processus d’un impact de gouttelette liquide a été divisé par Rioboo et al. [95] en cinq phases successives : cinématique, étalement, relaxation, mouillage et équilibre. La plupart des travaux de recherche ont été axés sur la propagation et la relaxation. En phase d’étalement, la ligne de contact se dilate radialement jusqu’à atteindre un étalement maximal, déterminé par le diamètre initial des gouttelettes, la vitesse d’impact, la tension superficielle, la viscosité et la mouillabilité de la surface solide (Li et al. [96]). Le diamètre maximal de propagation a une importance cruciale dans la phase de propagation. En plus, sur une surface super-hydrophobe, l’étalement maximal dépend d’une manière significative de la viscosité des gouttelettes liquides et de la graduation, en fonction du nombre de Weber ~ We1/4 . Van Dam et Clerc [97] ont mis en évidence une différence significative d’étalement maximal entre les substrats présentant des angles de contact petits et grands, ce qui montre l’influence significative de la mouillabilité au dernier stade de l’impact. Une pression atmosphérique plus faible peut empêcher la propagation des gouttelettes, ce qui provoque une faible propagation maximale [85]. Certains modèles analytiques ont été proposés pour prédire le processus d’impact, dont la plupart étaient basés sur la conservation de l’énergie de la gouttelette d’impact. Chandra et Avedisian [98] ont développé une corrélation empirique entre la dissipation visqueuse, tenant Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques Page | 97 en compte le temps d’étalement estimé, la fonction de dissipation simplifiée et le volume estimé de la dissipation visqueuse. Gao et Li [99] ont proposé un modèle théorique basé sur la forme dynamique réelle de la gouttelette, capable de prédire avec succès le diamètre maximum d’étalement et le diamètre de retrait pendant le processus de recul. Certains chercheurs ont concentré leurs efforts sur l’étude des éclaboussures sur des surfaces sèches variées. Il a été démontré que la rugosité de surface et les textures influencent la limite d’éclaboussure. Il a été constaté que l’impact des gouttelettes sur une surface en mouvement présente différents phénomènes d’éclaboussures et de non-éclaboussures par rapport aux surfaces stationnaires. Sur une surface sèche et chauffée, Bernardin et al. [100] ont tracé la courbe d’ébullition du refroidissement par impact des gouttelettes comme identique au refroidissement par pulvérisation. Dans le régime de refroidissement liquide monophasé, Pasandideh-Fard et al. [101] ont observé qu’une augmentation de la vitesse d’impact favorise l’élévation du flux de chaleur autour de la zone d’impact. En effet, la vitesse de croissance des gouttelettes favorise la propagation des gouttelettes, élargissant ainsi la surface mouillée sur le substrat chauffé. Cependant, l’augmentation de la vitesse d’impact des gouttelettes améliore légèrement le flux de chaleur au point d’impact. Batzdorf et al. [102] ont proposé un modèle théorique permettant de prédire le taux de transfert de chaleur lors de l’impact des gouttelettes. La prédiction théorique est plus précise lorsque le nombre de Prandtal liquide Pr est supérieur à 5 étant donné que l’évaporation des gouttelettes n’est pas prise en compte dans le modèle. Le taux de transfert de chaleur prévu montre une augmentation rapide de la valeur maximale, puis une diminution lente. Sur une surface surchauffée avec une température supérieure à 200 ° C, Tran et al. [103] ont trouvé trois phénomènes significatifs après l’impact des gouttelettes : l’ébullition par contact (contacts de la gouttelette avec la surface), l’ébullition du film (couche de vapeur formée sous la gouttelette) et l’ébullition du film de pulvérisation (couche de vapeur et minuscules gouttelettes éjectées vers le haut) (Fig. II.29a). Leurs expériences ont montré que l’impact maximum d’une gouttelette s’étend après une mise à l’échelle universelle avec le nombre de Weber (~ We2 / 5), qui est plus rapide que celle sur une surface non chauffée (~ We1 / 4). Staat et al. [104] ont mentionné que la température de transition de Leidenfrost montre peu de dépendance vis-à-vis du nombre de Weber affectant les gouttelettes, par contre le passage aux éclaboussures dépend significativement de la température de surface. Adera et al. [105] ont étudié la formation de gouttelettes non mouillantes sur une surface micro-structurée superhydrophile en chauffant légèrement la surface au-dessus de la température de saturation du Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques Page | 98 fluide en gouttelettes, ce qui est dû à l’augmentation de la conductivité thermique et à la diminution de la perméabilité à la vapeur de la région structurée. Dans une étude expérimentale de Jung et al. [106], la distribution transitoire de la température lors de l’étalement des gouttelettes a été détectée par thermographie infrarouge.