Cavitation sous Transferts extrêmes – CASTEX

L'ébullition est un phénomène de changement de phase liquide/vapeur hors équilibre qui est au centre de la technologie des échangeurs de chaleur. Il existe deux types d’ébullition : l'ébullition nucléée qui se produit lorsqu'un liquide est chauffé juste au-dessus de son point d'ébullition normal (100 degrés Celsius pour l'eau) et l'ébullition explosive qui correspond au croisement de la ligne spinodale liquide / vapeur (300 degrés Celsius pour l'eau). L'ébullition explosive est à l'origine des accidents de centrales nucléaires et la compréhension de la physique de l'ébullition explosive est donc primordiale pour prévenir les accidents. L'ébullition explosive peut être déclenchée à l'échelle nanométrique par des nanoparticules métalliques dans un environnement liquide lorsqu’elles sont irradiées par des impulsions laser intenses. Ces expériences ne peuvent être interprétées dans le cadre des théories classiques de nucléation, en raison des différents canaux énergétiques à l'échelle nanométrique qui contrôlent l'ébullition à petite échelle. En particulier, le rayonnement thermique en champ proche à travers la nanobulle de vapeur devrait jouer un rôle de premier plan mais ces effets ont été très peu caractérisés pour un nano-objet illuminé dans un environnement liquide / vapeur.
L'objectif du projet Castex est d'étudier la transition entre l'ébullition explosive et l'ébullition nucléée grâce à une combinaison d'observations expérimentales et de modélisation numérique. Pour franchir la transition, nous considérerons successivement des nano-objets ayant différentes formes et des agrégats composés de nanoparticules qui devraient favoriser la transition vers l'ébullition nucléée grâce à leurs dimensions spatiales étendues. Nous nous concentrerons en particulier sur l'effet de l'environnement liquide et du rayonnement en champ proche qui est fortement amplifié à l'échelle nanométrique. Pour atteindre cet objectif, le projet rassemble des experts français en nano-optique, cavitation, physique de l'état liquide et transfert de chaleur aux petites échelles. Plus précisément, la transition de l'ébullition explosive à l'ébullition nucléée sera étudiée sur la base du développement d'un modèle de champ de phase qui donne déjà une bonne description de la physique de l'ébullition autour de petites nanoparticules. Pour explorer l'ébullition autour de différentes géométries de nanoparticules, l'équipe ILM1 développera une version 3D du code qui tiendra compte du rayonnement en champ proche qui se produit entre le nano-objet chaud et le milieu liquide. Les prédictions de ce modèle seront systématiquement évaluées par comparaison directe avec des expériences de shadowgraphie réalisées par l'équipe ILM2. Ces dernières expériences permettront de caractériser à la fois le seuil d'ébullition et la dynamique des nanobulles avec une résolution spatiale micronique et une résolution temporelle nanoseconde. Une cellule spécifique sera conçue pour couvrir une large gamme de pressions et d'étudier l'influence des gaz dissous sur l’ébullition. Une contribution importante au code de champ de phase proviendra des simulations d'électromagnétisme réalisées par l'équipe CETHIL. La comparaison entre les prévisions de simulation de champ de phase avec et sans rayonnement en champ proche mettra en évidence le rôle de cet effet dans la dynamique des nanobulles.

Le projet est structuré autour de quatre workpackages, qui seront centrés respectivement sur l’effet de la forme des nano-objets, de l’environnement et du rayonnement champ proche. Le dernier workpackage servira à établir les lois fondamentales de l'ébullition à l'échelle nanométrique en tenant compte notamment des effets environnementaux ainsi que du transfert thermique du rayonnement en champ proche. Les connaissances fondamentales acquises au cours de ce projet pourront être exploitées dans la prévention des accidents des centrales nucléaires et dans l'optimisation du design des échangeurs de chaleur.