– IDHEAS

Un nombre croissant d?applications industrielles ont recours à un refroidissement par spray. C?est notamment le cas dans le domaine de la sidérurgie où le traitement thermique des aciers doit être très rapide afin d?obtenir des propriétés microstructurales satisfaisantes. L?objectif de ce projet est d?élaborer de nouveaux modèles de refroidissement par spray pour des surfaces portées à des températures élevées proche ou supérieures à celle de Leidenfrost. Ce projet va s?appuyer sur des techniques de mesure inovantes, de la simulation numérique directe ou de type Euler-Lagrange à l?échelle du spray ainsi qu?un test à grande échelle en milieu industriel. Comparativement aux autres méthodes de refroidissement telles que le jet ou la trempe en bassin, le refroidissement par sprays permet d?atteindre des taux de dissipation de chaleur élevés tout en garantissant un refroidissement uniforme et contrôlé d?où une économie substantielle d?eau. Cependant, son utilisation reste encore limitée à cause du manque de connaissances des phénomènes physiques se déroulant lors du contact entre une goutte et la paroi. Ainsi, la présence d?un film de vapeur modifie la dynamique de la goutte lors de l?impact et réduit les transferts de chaleur. A l?échelle d?un spray, le refroidissement induit par les gouttes est plus important, là où leur concentration est la plus élevée, c?est-à-dire en générale au centre du spray. Il s?y produit éventuellement un remouillage de la paroi ce qui augmente considérablement le flux de chaleur extrait à la paroi. Des expériences de plus en plus complexes se rapprochant progressivement du cas des sprays réels permettront de modéliser ces phénomènes. Le projet s?articulera autour de deux dispositifs expérimentaux : le premier sera consacré à l?impact de trains de gouttes monodispersé dans des conditions bien maîtrisées, alors que le second concernera l?impact d?un spray polydispersé. La plaque sera chauffée par induction avec un flux constant imposé. Une attention particulière sera accordée au développement d?une instrumentation fine et de diagnostics non-intrusifs innovants. En particulier, l?étude de l?impact de trains de gouttes monodispersé bénéficiera d?une des plus larges plateformes de techniques de mesure jamais mise en ?uvre dans une telle situation. La température des gouttes incidentes sera mesurée par fluorescence par plan laser à deux couleurs, leur taille par interférométrie et leur vitesse par vélocimétrie laser Doppler. Le flux thermique extrait à la paroi sera déterminé par thermographie infrarouge associé à une technique de conduction inverse. Les expériences d?impact réalisées sur de trains de gouttes serviront de référence afin de développer des modèles d?impacts des sprays pour prévoir l?efficacité de leur refroidissement. En étroite coopération avec l?expérience, des simulations numériques directes (DNS) incluant une procédure de suivi d?interface seront mises en ?uvre. Cette action nécessite de prendre en compte le changement de phase, l?effet Marangoni et l?échauffement radiatif. La DNS permettra de tester l?influence de nombreux paramètres physiques, y compris lorsque l?expérience n?est plus faisable. Ceci facilitera l?émergence de corrélations utilisable directement dans des codes de calculs. L?impact d?un train de gouttes unique et celui de trains de gouttes parallèles avec la paroi seront étudiés à la fois expérimentalement et par DNS, ce qui permettra la mise en évidence d?interactions temporelles et spatiales des impacts. Les données issus des expériences et obtenues par DNS seront utilisées pour développer des sous-modèles d?interaction gouttes-parois chauffées prenant en compte les transferts de masse et de chaleur. Des simulations numériques de type Euler-Lagrange seront mises en place ; les modèles d?interaction gouttes/paroi développés pour les régimes de rebond parfait et de splashing, incluant le transfert thermique à la paroi seront intégrés. Un modèle de film liquide sera également élaboré et intégré à la simulation qui devra également prendre en compte la conduction thermique au sein de la paroi chauffée. La seconde expérience sera consacrée au refroidissement par un spray polydispersé, expérience qui sera menée à l?échelle du laboratoire. Cette étude nécessitera une caractérisation fine par anémométrie phase Doppler (PDA) de la distribution de taille, de vitesse et de concentration volumique des gouttes composant le spray. Les données issues de l?analyse par PDA serviront de paramètres d?entrée pour la simulation du spray et les résultats seront comparés au flux extrait déterminé expérimentalement. Dans une dernière étape, un pilote de refroidissement de produits sidérurgiques à l?échelle 1 sera utilisé afin de fournir les flux extraits pour des conditions d?arrosage par spray préalablement caractérisées. Les données issues de cette dernière expérience seront comparées aux simulations fournies par le code Euler-Lagrange.