Surfaces nanostructurées pour l’amélioration des transferts thermiques en ébullition – NANOSURF

Les surfaces nanostructurées sont des surfaces présentant des structures élémentaires dont la taille varie de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres. La structuration de surface aux petites échelles a fait l?objet de recherches importantes dans le domaine de la micro-thermo-fluidique. Pour un écoulement monophasique, elle peut selon les configurations, permettre de réduire sensiblement les coefficients de frottement (surfaces nanostructurées super-hydrophobes) ou d?intensifier les transferts thermiques. Les recherches en ébullition sur les surfaces nanostructurées font l?objet d?un intérêt marqué de la communauté scientifique ces toutes dernières années compte tenu de leur impact sensible sur le caractère mouillant ou non mouillant des surfaces, et par conséquent sur les transferts de chaleur avec changement de phase : les surfaces fortement hydrophiles repoussent la valeur limite du flux critique du fait de la diminution de l?angle de contact au niveau de la ligne triple. Les surfaces hydrophobes, au contraire, se caractérisent par une plus faible énergie d?activation des sites de nucléation mais permettent un regroupement des bulles générées en surface qui conduit à une couverture néfaste de vapeur de celle-ci. L'objet de ce projet est d'évaluer l'impact de la nanostructuration sur les transferts thermiques avec changement de phase par évaporation et ébullition. Les problèmes seront abordés par l'expérience et de manière théorique, et ce à plusieurs échelles. Différents procédés de fabrication de telles surfaces seront employés, mais l'étude même de ces procédés ne sera pas abordée. Toutefois la caractérisation fine des surfaces nanostructurées étudiées, par MEB (microscope électronique à balayage) ou AFM (microscope à force atomique), constituera un des points clef de l?étude. Concernant l'approche expérimentale, diverses cellules d'essais seront réalisées afin d?étudier différents aspects de l?ébullition sur des surfaces nanostructurées. Du point de vue microscopique, on s?attachera à étudier l?influence du mouillage sur le comportement statique et dynamique de la ligne triple. Une cellule de type Hele-Shaw sera également développée pour caractériser la croissance d'une bulle isolée et l?impact du cisaillement sur les transferts à l?échelle d?une bulle en présence de surfaces nanostructurées. Du point de vue macroscopique, le coefficient de transfert thermique et le flux critique seront étudiés en situation d?ébullition libre et convective pour des configurations géométriques (fils, échantillons massifs) et de structuration (répartition uniforme ou même inhomogène de sites hydrophiles/phobes sur une surface donnée) variées. Des visualisations par caméra rapide permettront d'établir les liens entre performance thermique et comportement hydrodynamique. Les résultats expérimentaux seront confrontés à une analyse théorique. A cet effet, deux types de modèles correspondant chacun à des échelles différentes seront développés ou étendus : des modèles basés sur la dynamique moléculaire pour les plus petites échelles et des modèles de champs de phases aux échelles intermédiaires, avec pour objectif ultime l?élaboration de modèles continus aux échelles millimétriques, qui ne seront pas explicitement traitées dans ce projet. Chaque modèle pourra fournir aux autres des conditions aux limites pertinentes, afin qu'aucun saut d'échelle ne soit nécessaire et que les informations puissent circuler des plus petites aux plus fortes échelles, ou vice-versa. Les phénomènes d'évaporation à la ligne triple seront décrits à l'aide de la dynamique moléculaire. Les modèles de champs de phase ont été éprouvés pour la prédiction de l'impact de la structuration de surface sur la mouillabilité, mais ils n'ont jamais été réellement étendus aux aspects de transport thermique. Une telle extension permettra de comprendre comment la nanostructuration de surface modifie l'hydrodynamique et les transferts thermiques lors de l'ébullition.