Films liquides et intensification des transferts dans les systèmes et micro-systèmes à changement de phase et les milieux poreux. – INTENSIFILM

1 Contexte scientifique et objectifs du projet - Les objectifs du projet sont d'étudier et de modéliser des situations de changement de phase liquide-vapeur où des films liquides se développant sous l'action de la capillarité ont un effet majeur sur les transferts. - Typiquement ces films se développent le long de singularités géométriques: coins des canaux droits ou des rainures de section polygonale, coins des pores de nombreux milieux poreux, périphéries des zones de contact entre surfaces rugueuses, coins des surfaces microstructurées, etc. Ainsi, ces films jouent un rôle clé dans les performances de nombreux systèmes de refroidissement ou de diffusion de la chaleur : caloducs et microcaloducs, boucles diphasiques, spreaders, etc. - Ce type de film joue aussi un rôle essentiel dans les transferts en milieu poreux. Ainsi, ces films ont un effet très important lors du séchage d'un milieu poreux ainsi que dans certaines situations impliquant des hydrocarbures légers : récupération par vaporisation en génie pétrolier, dépollution des sols par vaporisation. Les films affectent également les performances des évaporateurs à mèche poreuse ou encore peuvent contribuer à augmenter le niveau de fuite dans certains joints d'étanchéité formés par la mise en contact de surfaces rugueuses. - - 2 Description du projet - Le programme proposé est d'étudier les phénomènes de changement de phase liquide-vapeur dans des géométries simples : tubes capillaires ou canaux de section polygonale, réseau de canaux, dont le diamètre hydraulique est inférieur à la longueur capillaire (< 1 mm). - On s'intéressera à des situations d'évaporation où le changement de phase est piloté en priorité par le transfert de masse (cas par exemple du séchage à la température ambiante) et des situations de vaporisation ou de condensation où c'est le transfert de chaleur qui est le moteur du changement de phase (cas des spreaders par exemple). - Concernant l'évaporation on conduira des expériences pour différentes formes de section de tubes capillaires (carrée, triangulaire, triangulaire aplatie), des études théoriques préliminaires indiquant une influence très forte de l'angle d'ouverture des coins sur le temps de séchage. On explorera différents régimes d'évaporation en faisant varier le fluide, le diamètre hydraulique et l'inclinaison des tube, ce qui modifiera la compétition entre forces visqueuses, capillaires et de gravité. Les expériences combineront techniques de visualisation directe permettant d'accéder après traitement d'image à l'épaisseur des films et techniques de thermographie IR. - La vaporisation sera étudiée également pour différentes formes de canaux. L'apport de chaleur se fera via les parois du tube ou du canal sur une zone d'extension contrôlée. Techniques d'interférométrie, visualisations directes et thermographies IR seront combinées pour étudier l'influence du flux de chaleur appliqué sur la position et forme de l'interface liquide vapeur ainsi que l'épaisseur des films liquides. Un point particulier d'intérêt concernera la stabilité de l'interface. - La condensation sera étudiée pour des tubes capillaires de sections circulaire et carrée. L'étude sera menée essentiellement à l'aide d'une caméra rapide donnant accès à la forme de l'interface liquide-vapeur et à l'évolution spatio-temporelle de l'épaisseur locale du film de liquide. - Dans chaque cas, des résultats expérimentaux seront confrontés à des résultats de modèles. Typiquement, ces modèles prédiront l'évolution spatio-temporelle de la forme de l'interface, la distribution du rayon de courbure local du film, des variables thermo hydrauliques et les densités de flux. - - 3 Résultats attendus - Outre un ensemble de résultats expérimentaux originaux, le projet débouchera sur des modèles des transferts dans des canaux de section polygonale en présence de films. Ces modèles constitueront également une première étape pour modéliser l'effet des films dans les matériaux poreux, poi