Conception rationnelle de surfaces améliorées pour le transfert de chaleur dans les systèmes de refroidissement par gouttes et par spray – DROPSURF

L’impact d’un spray de gouttes sur une surface chaude constitue un des procédés d’extraction de flux thermique les plus efficaces. Au contact de la paroi, le liquide s’échauffe et entre en ébullition ce qui permet d’extraire des flux de chaleur très élevés. Le procédé se caractérise également par un refroidissement relativement uniforme en lien avec la répartition spatiale des impacts de gouttes. En raison de ces nombreux avantages, il est vu comme une solution prometteuse pour refroidir les processeurs des supercalculateurs, les serveurs des datacenters qui nécessitent pour fonctionner de dissiper des flux de chaleur de plus en plus élevés. Le projet DROPSURF explore les possibilités offertes par une texturation de la surface d’échange pour intensifier et optimiser cette technique de refroidissement. Alors que des procédés toujours plus nombreux, permettent de texturer des surfaces y compris à des échelles aussi petites que le nanomètre, la conception de surfaces améliorées reste complexe à cause du manque de connaissance sur les mécanismes de transferts de chaleur et de masse associés à l’impact d’une goutte sur ces textures. De fait, de nombreux phénomènes liés aux transferts sont affectés par une texturation qu’elle se situe à une échelle macro, micro ou nanoscopique. En particulier, les textures nanoscopiques modifient la mouillabilité et la dynamique de la ligne triple de contact, où les transferts de chaleur et de masse sont les plus intenses. A l’échelle du micron, la texturation agit sur la densité des sites de nucléation. À des échelles plus grandes, elles perturbent profondément l’écoulement dans la goutte et au voisinage des bulles de vapeur. En jouant sur plusieurs échelles, par exemple grâce à des surfaces hiérarchiques ou aux propriétés hétérogènes (biphiliques, biconductives thermiques), un plus grand contrôle pourra être obtenu sur le flux critique et le coefficient d’échange de chaleur.
Ainsi, la finalité du projet DROPSURF est d’établir des lois de dimensionnement et des modèles de transfert pour guider la conception de surfaces améliorées. Il s’agira de valider une méthode rationnelle « bottom-up » de conception prenant en compte les phénomènes aux échelles les plus pertinentes. Pour relever ce défi, ce projet s'appuiera sur les compétences interdisciplinaires de trois laboratoires (LEMTA, IJL et IMFT) dans le domaine de la thermique, des diagnostics optiques, des phénomènes interfaciaux et de la science des matériaux, ainsi que le savoir-faire de la société DEPHIS, spécialisée dans le développement et la mise en œuvre de revêtements innovants. Les effets d’une nano-texturation sur la mouillabilité et les transferts interfaciaux seront modélisés par des simulations basées sur la dynamique moléculaire et des approches de type « coarse-grained » permettront d'étendre les capacités de calcul aux phénomènes de nucléation et aux transferts dans la microrégion de la ligne triple de contact. Les effets d’une texturation seront également étudiés grâce à des expériences fondamentales permettant d’étudier finement les phénomènes associés à la croissance des bulles en régime d’interaction et à l’impact de gouttes individuelles. Ainsi, les flux de chaleur et de masse au plus près de la ligne triple seront caractérisés grâce à des diagnostics optiques innovants basés sur la microscopie de fluorescence multiphotonique et la thermographie IR ultra-rapide. Les résultats de ces expériences résolues spatialement et temporellement seront comparés à des simulations numériques directes prenant en compte le changement de phase et le suivi d'interface. Finalement, une amplification des procédés de fabrication sera entreprise afin de revêtir des surfaces de quelques centaines de cm2. Cette étape clé permettra de tester le refroidissement par sprays dans les conditions de l’application industrielle. Les analyses porteront sur les performances thermiques, la durabilité, la résistance à l’usure, à l’oxydation et au stress thermique.