Etude théorique d’un écoulement bulle-bouchon dans un micro canal rectangulaire : Comparaison entre les différents niveaux de modélisation
Les travaux de modélisation sont focalisés sur une branche unitaire d’un caloduc oscillant pour une application dans le domaine du transport, en particulier sur la gestion thermique du groupe motopropulseur électrifié (batterie, électronique de puissance, machine électrique). Le système étudié fait état de la succession d’une poche de vapeur, d’un bouchon liquide et d’une seconde poche de vapeur dans un micro-canal de section rectangulaire. Le micro canal se présente sous la forme d’un U en position verticale, où le liquide occupe à l’état initial la partie inférieure alors que les deux bulles de vapeur sont réparties de part et d’autre du U. Il s’agit là d’isoler le mouvement du bouchon liquide provoqué par une instabilité en température sur l’une des deux poches de vapeur. La spécificité de cette configuration repose dans la position basse et la faible proportion qu’occupe la zone condenseur : cette dernière représente environ un dixième de la hauteur totale du PHP au regard de la zone évaporateur qui occupe l’ensemble de la surface haute (« top heat mode »). Sous l’effet de la gravité, le risque de se retrouver dans une situation noyée où l’intégralité du liquide reste bloquée dans la zone condenseur est grande. Pour amorcer le démarrage des oscillations, une instabilité en pression et donc en température de la phase vapeur est nécessaire pour déplacer le liquide vers la zone évaporateur et ainsi laisser place à la poche de vapeur d’attendre le condenseur. L’objectif premier de ces travaux est donc de mener une étude comparative entre différents fluides et géométries qui permettent de minimiser cette instabilité.
Pour ce faire, différents niveaux de modélisation sont étudiés en tenant compte au final de l’évolution du film liquide déposé sur la paroi par le ménisque récessif. Ainsi l’apport de chaleur engendré par l’évaporation du film liquide, de la ligne triple et du ménisque est ensuite étudié puis ajouté à l’augmentation d’énergie interne de la phase vapeur. Plusieurs hypothèses sont travaillées pour inclure le travail des forces de pressions à l’équation de l’énergie interne lors de l’expansion de la vapeur.
L’analyse des différents niveaux de modélisation pour différents fluides montre des comportements différents sur le déplacement des bouchons liquides. En effet, les transferts de chaleur vers la vapeur sont dans un premier temps sous forme de chaleur sensible dans la zone asséchée puis par chaleur latente avec l’évaporation. Ils sont par conséquent le point de départ de l’augmentation de température et donc de pression de la poche vapeur. La proportion entre la chaleur apportée à la vapeur surchauffée ou par le film liquide dépend à la fois des propriétés thermodynamiques des différents fluides, de la géométrie des canaux, mais principalement des hypothèses de modélisation imposées. Enfin une figure de mérite laisse ressortir un intérêt particulier pour les fluides frigorifiques qui, dans cette configuration particulière, demandent un faible niveau d’instabilité pour libérer la zone condenseur de la phase liquide.