Caractérisation expérimentale des transferts de chaleur dans un canal d’eau avec changement de phase
Dans cet article, nous présentons une étude expérimentale réalisée dans le cadre d’un projet de recherche interne ONERA et traitant de l’analyse d’un écoulement liquide dans un canal de section rectangulaire contenant une forêt de picots, soumis à un fort flux de chaleur permettant la vaporisation d’une partie du liquide. L’objectif du projet est la meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans ce type de configuration et de la création d’une base de données expérimentale pour valider les simulations numériques associées.
Une maquette de canal chauffé avec picots a été réalisée. Le canal de section est alimenté en amont par un débit d’eau contrôlé, à température ambiante. La paroi basse du canal est chauffée à l’aide de 31 cartouches chauffantes alimentées par deux boitiers électriques permettant de régler la puissance fournie entre 0 et 100 % de la puissance maximale. La paroi supérieure est percée par un hublot permettant la visualisation de l’écoulement interne. De nombreux thermocouples sont insérés dans les parois inférieure et supérieure du canal afin de mesurer les conditions de température de l’expérience. L’ensemble de la maquette a été inséré dans un support isolant afin de minimiser les pertes thermiques vers l’environnement. A la sortie du canal, l’installation permet la mesure du débit de liquide non vaporisé. Enfin un capteur de pression différentielle enregistre les pertes de charge entre l’entrée et la sortie du canal.
La campagne d’essais a été réalisée en faisant varier les débit d’eau et la puissance d’alimentation des cartouches. Pour chaque condition de débit, 6 ou 7 paliers de puissance ont été réalisés jusqu’à atteindre un état stationnaire. Dans chaque condition d’essais, toutes les mesures sont acquises et des visualisations de l’écoulement sont enregistrées par caméra vidéo classique ou rapide, avec injection d’acide aminoG pour augmenter le contraste entre les zones liquides et gazeuses.
Une grandeur intéressante pour comparer aux simulations numériques est le coefficient d’échange pariétal à l’interface fluide-solide, en présence du phénomène de vaporisation. En effet la littérature montre une très forte augmentation du transfert de chaleur pariétal dans ces conditions. Pour identifier ce coefficient d’échange, il est nécessaire de connaître le flux de chaleur échangé entre la paroi inférieure et le fluide. Dans ce but, une méthode inverse de conduction de la chaleur a été utilisée pour identifier ce flux de chaleur, à partir des températures mesurées au sein de la paroi. Une hypothèse d’uniformité latérale des températures a conduit au développement d’un modèle thermique 2D plan, avec prise en compte de la puissance générée par les 31 cartouches électriques. Le coefficient d’échange pariétal efficace est identifié à partir du flux de chaleur et de la température locale du fluide. L’évolution de cette dernière le long du canal est calculée par un bilan d’enthalpie depuis l’entrée, en intégrant les flux de chaleur identifiés par la méthode inverse. La présence des picots est prise en compte a posteriori dans le post-traitement en considérant un modèle d’ailette soumise à un coefficient d’échange uniforme, ce qui permet de remonter au coefficient d’échange pariétal.