Cette thèse porte sur la modélisation de l'ébullition qui joue un rôle important dans les vitessesde refroidissement des pièces, elle possède un volet numérique et un volet expérimental. Lessimulations et les expériences envisagées se situent à deux échelles. A l'échelle d'une ou quelquesbulles de vapeur, il s'agit de faire des simulations multiphasiques très précises en prenant encompte, la tension de surface, les calculs directs d'écoulement à grand nombre de Reynolds, etrendant compte du détachement et de la coalescences des bulles. Des observations expérimentalessont réalisées à la même échelle en contrôlant en surface la nucléation d'une bulle de vapeur àl'aide d'une caméra rapide. Des mesures de champs de vitesse par PIV et de température par twocolor LIF thermometry sont réalisées dans les mêmes conditions. Ceci a permit de confronter lacroissance, la dynamique et les formes des bulles observées et calculés. Les techniques numériquesles plus avancées sont utilisées : Eléments finis stabilisé VMS, level set, adaptation anisotropeet calcul intensif. Les modéles numériques proposés dans cette thèse permettent de passer àl'échelle macroscopique des pièces industrielles en considérant un film de vapeur (ou une phasede mélange liquide vapeur). L'enjeu supplémentaire étant de modéliser la turbulence induite parl'ébullition dans une approche de type CFD.

Cette thèse porte sur la modélisation de l'ébullition qui joue un rôle important dans les vitessesde refroidissement des pièces, elle possède un volet numérique et un volet expérimental. Lessimulations et les expériences envisagées se situent à deux échelles. A l'échelle d'une ou quelquesbulles de vapeur, il s'agit de faire des simulations multiphasiques très précises en prenant encompte, la tension de surface, les calculs directs d'écoulement à grand nombre de Reynolds, etrendant compte du détachement et de la coalescences des bulles. Des observations expérimentalessont réalisées à la même échelle en contrôlant en surface la nucléation d'une bulle de vapeur àl'aide d'une caméra rapide. Des mesures de champs de vitesse par PIV et de température par twocolor LIF thermometry sont réalisées dans les mêmes conditions. Ceci a permit de confronter lacroissance, la dynamique et les formes des bulles observées et calculés. Les techniques numériquesles plus avancées sont utilisées : Eléments finis stabilisé VMS, level set, adaptation anisotropeet calcul intensif. Les modéles numériques proposés dans cette thèse permettent de passer àl'échelle macroscopique des pièces industrielles en considérant un film de vapeur (ou une phasede mélange liquide vapeur). L'enjeu supplémentaire étant de modéliser la turbulence induite parl'ébullition dans une approche de type CFD. / This thesis focuses on the modelling of boiling that plays an important role on the coolingand heat treatment in quenching processes, it has two components: numerical simulations andexperimental measurements. Both simulations and experiments are envisaged for two scales. Thefirst one concerns small scales: the scale of one or few bubbles. In this case, the focus is put onvery precise numerical simulations for multiphase flows taking into account the surface tension,the direct computations of flows at high Reynolds number, and on reflecting the detachmentand coalescence of bubbles. On that same scale, experimental observations are performed tocontrol, in the volume or at surface, the nucleation of a vapour bubble using a high speedcamera. Measurements of velocity fields by PIV and the temperature by PLIF are realizedunder the same conditions. This will allow us to compare the growth dynamics and shapesof bubbles observed and calculated. Advanced numerical methods are used to fulfil this task:VMS stabilized finite elements, level set, anisotropic adaptation and parallel computing. Thenumerical models proposed in this work are extended and also used to deal with macroscopicscales: at the level of industrial parts considering the vapour films (or a phase of liquid vapourmixture). The additional challenge resides in the modelling of turbulence induced by boiling ina CFD approach.

Les produits de l'érable sont fabriqués généralement par ébullition, refroidissement, puis agitation du sirop d'érable « Canada catégorie A ». Les cristaux de sucrose formés donnent la texture au produit. En confiserie, la courbe d'élévation du point d'ébullition de l'eau (EPE) en fonction des solides solubles permet d'arrêter l'ébullition au niveau approprié de concentration pour le produit visé, alors que la courbe de la température de transition vitreuse selon la teneur en solides solubles permet de recommander des paramètres de refroidissement. Les outils actuels se basent principalement sur des solutions aqueuses de sucrose, mais la présence d'autres composés les influencent. Le sirop d'érable est une solution aqueuse, surtout de sucrose, mais aussi de sucre inverti, de polyphénols et de composés azotés. Leur teneur varie selon la couleur du sirop d'érable, représentée par sa classe : « Doré », « Ambré », « Foncé » ou « Très foncé ». Les caractéristiques physicochimiques pourraient changer au cours de leur entreposage. Au cours de ce projet, les effets de la durée d'entreposage sur une année et de la classe de sirop sur leurs caractéristiques physicochimiques ont été étudiés. Les teneurs en polyphénols, sucre inverti et composés azotés tendaient à être plus élevées dans les sirops plus foncés, contrairement à la concentration en sucrose qui diminuait légèrement. Au cours de l'entreposage, la teneur en sucrose augmentait, alors que les concentrations en polyphénols et le pH diminuaient. Pour mieux comprendre l'effet des classes de sirop pendant leur transformation, leur comportement a été étudié pendant l'ébullition et le refroidissement. La courbe de la température de transition vitreuse était commune à tous les sirops, tandis que celles de l'EPE variaient selon leur classe. Ces connaissances appuieront une meilleure compréhension de la cristallisation du sucrose dans un contexte de transformation du sirop d'érable. / Maple products are generally made from "Canada grade A" maple syrup by boiling, cooling, and then stirring. Crystallization gives the characteristic texture to maple products. In confectionery, the Boiling point elevation (BPE) depending on total soluble solids curve is used to stop boiling at the appropriate concentration level for the intended product, while the curve of glass transition temperature depending on total soluble solids is used to recommend cooling parameters. Current tools are mainly based on aqueous solutions of sucrose, but the addition of other compounds influences them. Maple syrup is an aqueous solution, mainly composed of sucrose, but also of invert sugar, total phenolic content and nitrogenous compounds. Their content changes according to the color of the maple syrup, represented by its class: " Golden ", " Amber ", " Dark " or " Very dark ". Their physicochemical characteristics could change during storage. During this project, the effects of storage time over a year and syrup class on their physicochemical characteristics were studied. Polyphenols, invert sugar and nitrogen compounds tended to be higher in darker syrups, while the sucrose concentration decreased slightly. During storage, sucrose content increased, while polyphenol concentrations and pH decreased. To better understand the effect of the syrup classes during processing, their behavior during boiling and cooling was studied. The glass transition temperature curve was common to all syrups, while the BPE curves varied according to their class. This knowledge will be used to better understand sucrose crystallization in a maple syrup processing context.

Suite à un défaut de contrôle de la réaction nucléaire, un accident d’insertion de réactivité (RIA) peut survenir dans une centrale. Un pic de puissance se produit alors dans certains crayons de combustible, suffisamment important pour entraîner l’ébullition en film du réfrigérant qui les entoure. Ceci provoque la chute du refroidissement des crayons et donc une rapide et importante augmentation de la température de la gaine qui les entoure. L’évaluation du risque de rupture de la gaine est un sujet d’étude de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. Ces échanges de chaleur transitoires ne sont toujours pas compris et modélisés. Pour comprendre ces phénomènes, une boucle expérimentale a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Du HFE7000 circule de bas en haut dans une section d’essais verticale de géométrie semi-annulaire. Le demi-cylindre intérieur est une feuille de métal chauffée par effet Joule. Sa température est mesurée par une caméra infrarouge, couplée avec une caméra rapide pour la visualisation de l’écoulement. La courbe d’ébullition entière est étudiée en régimes stationnaire et transitoire : convection, déclenchement de l’ébullition, ébullition nucléée, passage en film, ébullition en film et remouillage. Les régimes stationnaires sont bien modélisés par des corrélations de la littérature. Différents modèles sont proposés pour représenter les transferts de chaleur transitoires : l’évolution de la convection et de l’ébullition nucléée se font de manière auto similaire pendant un palier de puissance. Ce constat permet de modéliser des évolutions plus compliquées telles des rampes de température. Le modèle de Hsu instationnaire prédit bien le déclenchement de l’ébullition. Pour des créneaux de puissance, le passage en film se fait à une température constante et le flux critique augmente avec la puissance, tandis que pour des rampes de puissance la température augmente mais le flux critique diminue avec l’augmentation de la puissance. Quand la paroi est chauffée, les flux de chaleur en ébullition en film sont beaucoup plus importants qu’en stationnaire mais ce régime est encore mal compris. Le refroidissement en ébullition en film et le remouillage sont bien caractérisés par un modèle à deux fluides. / A failure in the control system of the power of a nuclear reactor can lead to a Reactivity Initiated Accident in a nuclear power plant. Then, a power peak occurs in some fuel rods, high enough to lead to the coolant film boiling. It leads to an important increase of the temperature of the rod. The possible risk of the clad’s failure is a matter of interest for the Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. The transient boiling heat transfer is not yet understood and modelled. An experimental set-up has been built at the Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Subcooled HFE-7000 flows vertically upward in a semi annulus test section. The inner half cylinder simulates the clad and is made of a stainless steel foil, heated by Joule effect. Its temperature is measured by an infrared camera, coupled with a high speed camera for the visualization of the flow topology. The whole boiling curve is studied in steady state and transient regimes: convection, onset of boiling, nucleate boiling, criticial heat flux, film boiling and rewetting. The steady state heat transfers are well modelled by literature correlations. Models are suggested for the transient heat flux: the convection and nucleate boiling evolutions are self-similar during a power step. This observation allows to model more complex evolutions, as temperature ramps. The transient Hsu model well represents the onset of nucleate boiling. When the intensity of the power step increases, the film boiling begins at the same temperature but with an increasing heat flux. For power ramps, the critical heat flux decreases while the corresponding temperature increases with the heating rate. When the wall is heated, the film boiling heat transfer is higher than in steady state but it is not understood. A two-fluid model well simulates the cooling film boiling and the rewetting.

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident)dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine et à un risque de rupture. Plusieurs études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une expérience modèle a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon. La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. La précision de la mesure de la température d’intérêt a été optimisée en fonction de l’épaisseur de peinture et une correction sur le bilan d’énergie prend en compte ce paramètre. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image. On représente sur un diagramme flux-température les transferts thermiques lors des différents régimes en stationnaire et en transitoire. Chaque régime d’ébullition, en conditions stationnaire ou transitoire, est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage. Les régimes stationnaires sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasistationnaire. Il est montré que les transferts thermiques lors du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Une étude locale de cette propagation est alors nécessaire. Afin de simuler des transitoires de température durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. permet d’imposer des créneaux ou des rampes de températures (de 5 à 500 K.s 1 ). Les résultats en ébullition nucléée sont conformes avec ceux de la littérature, tant en conditions stationnaire que transitoire. L’expérience permet d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi. Ce régime d’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut ainsi être stabilisée pendant plusieurs secondes avec ce système. On caractérise ainsi les conditions de déclenchement de l’ébullition en film, la dynamique de sa propagation et les transferts une fois établi. Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code SCANAIR de l’IRSN, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs de conduction instationnaire sont notamment considérés en imposant la température mesurée pour analyser nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition.

Ce travail a pour objet la compréhension de la phénoménologie du changement de phase liquide-vapeur lors de l'écoulement d'un fluide dans des chemins de fuite micrométriques, résultants du contact imparfait entre deux pièces métalliques du fait de la rugosité des parois. Le but est de déterminer l'influence du changement d'état du fluide sur la valeur du débit de fuite par rapport à un écoulement monophasique. Le chemin de fuite est assimilé à un capillaire micrométrique de section circulaire, aux extrémités duquel les conditions de pression correspondent à l'état liquide en entrée et à l'état vapeur en sortie. L'étude se limite aux situations où le changement de phase est obtenu par une chute de la pression locale le long du capillaire, sans apport de chaleur complémentaire à la paroi. L'ensemble des équations phasiques et interfaciales sont rendues sans dimension afin d'identifier, par une analyse phénoménologique, les mécanismes prépondérants lors de l'ébullition du R134a en espace confiné. Il est montré que le changement de phase intervient par nucléation hétérogène et que la croissance des bulles de vapeur ainsi formées est contrôlée par les phénomènes thermiques. Un dispositif expérimental est conçu pour observer le changement de phase dans des capillaires en verre, dont le diamètre intérieur est compris dans une gamme de 20 à 100 $\mu m$. Un protocole d'essais très strict est suivi au cours des expériences pour s'assurer que les conditions d'équilibre sont atteintes. L'évolution de la taille des inclusions gazeuses, quand elles se produisent, est relevée à l'aide d'une caméra rapide ou d'une webcam. A partir de ces visualisations, on peut estimer l'effet du changement de phase sur le débit de fuite. Selon l'historique de variation de la pression en aval du capillaire, il existe une situation où aucune bulle de vapeur ne se forme, le liquide supportant la surchauffe jusqu'à la sortie.

Cette thèse décrit les études théoriques de deux catégories de phénomènes physiques: les transitions de phase et l'hydrodynamique physique. Dans la première catégorie se rangent plusieurs phénomènes ayant lieu dans des solides et dans des fluides. Les solides considérés sont des cristaux non-stoechiométriques supraconducteurs à haute température critique qui présentent des structures périodiques à période longue. Pour les fluides, on s'intéresse surtout à la cinétique des transitions de phase: il s'agit de la séparation de phase dans des mélanges binaires liquides, de l'ébullition et enfin de la condensation naturelle (rosée ou buée). La deuxième catégorie inclut la modélisation du mouvement de la ligne triple de contact liquide-gaz-solide le long d'un substrat hétérogène ainsi que l'analyse de l'instabilité d'une couche liquide placée dans le champ électrique.

Les piles à combustible sont une technologie prometteuse pour la génération d'énergie écologique dans diverses applications. Les piles à combustibles dans les applications de transport ont besoin de systèmes de refroidissement qui soient à la fois compacts, durables, non-conducteurs des électrons et qui travaillent à basse température. On choisit le pentane en<br />ébullition en débit forcé comme étant la méthode la plus prometteuse. Les écoulements sont en minicanal de 0.8 × 0.8 mm en laminaire et à faible flux thermique. Pour étudier les instabilités, on a fait varier la compressibilité du système en amont de l'évaporateur. Les écoulements ont été visualisés de manière directe en radiographie neutronique à l'ILL avec un petit canal non-isolé puis avec un autre canal plus massif dans des conditions thermiques<br />isolées. La visualisation neutronique montre deux régimes métastables : surchauffe liquide et ébullition. Les instabilités fortes de température des deux régimes sont corrélées avec le régime d'écoulement observé dans la visualisation. La boucle finale, ILULIAQ, a été conçue pour des tests en monocanal et en plaque. Les fuites thermiques ont été soigneusement<br />réduites et l'incertitude sur le flux total est moins de 0.1 W comparé au nominal de 1.9W de puissance utile au nominal. Les résultats montrent une surchauffe liquide, suivie d'ébullition stationnaire. Les éventuelles instabilités sont faibles et ne sont pas corrélées à la compressibilité en amont. La perte de pression et le coefficient de transfert de chaleur étaient suffisant pour le refroidissement d'une pile. L'ensemble des études menées montre que le refroidissement en pentane diphasique pourrait être adapté aux besoins spécifiques des piles à combustibles et donc de résoudre les problèmes actuels de refroidissement.

Ce travail aborde la problématique des systèmes de refroidissement ou de contrôle thermique industriels. Nous avons particulièrement mis l'accent sur le refroidissement des serveurs informatiques. Une première partie consiste en l'étude des moyens d'amélioration des techniques de refroidissement existantes, tandis que la deuxième partie est une réflexion sur des techniques de refroidissement alternatives potentiellement plus efficaces et répondant aux demandes actuelles du contrôle thermique industriel. Dans le premier chapitre, nous analysons la bibliographie et la théorie relatives aux phénomènes physiques derrière les techniques de refroidissement étudiées. Ensuite, une classification des techniques de refroidissement est proposée en fin de chapitre. Ce chapitre a servi de base pour l'amélioration des technologies de refroidissement existantes et à la réflexion sur de nouvelles techniques plus efficaces. Le second chapitre porte sur l'optimisation d'une plaque froide, destinée au refroidissement des serveurs informatiques, en s'aidant d'un outil numérique et d'essais expérimentaux. Nous avons noté une augmentation des transferts de chaleur dans la plaque froide en utilisant des inserts, notamment ceux en forme de losange disposés en quinconce. A l'inverse, l'utilisation de certains nanofluides en tant que fluides caloporteurs ne semble pas apporter de gain significatif. Dans le troisième chapitre nous détaillons la démarche suivie pour la conception d'un dissipateur de chaleur basé sur une technologie caloducs, destiné au refroidissement des cartes électroniques. En premier lieu, nous présentons le modèle thermohydraulique de dimensionnement d'un caloduc cylindrique ; une étude paramétrique (géométrique, type de fluide,...) nous a permis d'identifier le jeu de paramètres donnant la meilleure performance du caloduc. En second lieu, nous évoquons les tests réalisés sur le dissipateur de chaleur à caloduc qui nous amènent à valider en partie le modèle thermohydraulique développé. Le dernier chapitre porte sur la réalisation et l'étude d'un démonstrateur pour le refroidissement des cartes électroniques par immersion dans un liquide à basse température de saturation. On commence par la mise en place et l'utilisation d'un modèle numérique pour la conception du démonstrateur, puis des tests expérimentaux sont réalisés. Les premiers résultats obtenus en utilisant le SES-36 comme fluide de travail sont assez prometteurs.Mots clés : modélisation, transfert de chaleur, refroidissement, datacenter, liquid-cooling, caloducs, échangeurs, nanofluides, ébullition en vase, simulation numérique

Lors d'un accident grave dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium, le combustible fondu peut entrer en contact avec le sodium environnant, conduisant alors à une interaction communément appelée Interaction Combustible-Réfrigérant. L'objectif de ce travail est d'améliorer la connaissance relative aux transferts thermiques en régime d'ébullition en film du sodium, essentielle pour étudier les risques liés à une éventuelle explosion de vapeur. Peu d'études, tant expérimentales que théoriques, ont été menées sur l'ébullition en film du sodium. Une unique expérience permet d'étudier l'ébullition en film du sodium en convection naturelle. Lors de l'analyse de ces essais, deux sous-régimes d'ébullition en film, non identifiés par l'auteur mais déjà observés pour l'eau, ont été mis en évidence : un régime de film qualifié de stable, sans contact liquide-solide, et un régime de film qualifié d'instable, avec contacts. D'un point de vue théorique, un seul modèle dédié à l'ébullition en film du sodium est proposé dans la littérature, dont l'analyse a révélé de nombreux défauts. Dans un premier temps, une analyse d'échelles du problème a été effectuée en convection naturelle et en convection forcée, en distinguant les cas d'un fort et d'un faible sous-refroidissement. Cette approche simplifiée, cohérente avec les résultats expérimentaux, a permis de définir les nombres adimensionnels pertinents pour l'établissement de corrélations. Un modèle a ensuite été développé pour traiter l'ébullition en film du sodium autour d'une sphère dans le cas le plus général - en convection naturelle ou forcée, pour un métal liquide saturé ou sous-refroidi. Ce modèle est basé sur l'approximation de double couche limite et met en œuvre une méthode intégrale en considérant les termes inertiels et convectifs, classiquement négligés, dans les équations de bilan de l'écoulement de vapeur. Par ailleurs, le rayonnement est pris en compte de manière couplée à l'interface liquide-vapeur et contribue directement à la production de vapeur. Ce modèle permet d'évaluer correctement le flux de chaleur perdu par un corps chaud en comparaison aux résultats des essais, en particulier lorsque ceux-ci sont corrigés des biais expérimentaux. La partition du flux de chaleur, entre chauffage et vaporisation, est également estimée : il s'agit d'une information indispensable à la description d'une explosion de vapeur et non accessible expérimentalement. En outre, l'influence de différents paramètres - sous-refroidissement du sodium, surchauffe et diamètre de la sphère, vitesse de l'écoulement externe, pression du système - dans les conditions pouvant être celles d'un accident grave a été étudiée. Enfin, un modèle simplifié a été utilisé pour étudier la transition entre les deux sous-régimes d'ébullition en film identifiés dans l'expérience. Les tendances obtenues par cette approche sont analogues à celles observées expérimentalement.