La croissance et le détachement des bulles formées sur une paroi par injection ou ébullition sont présents dans de nombreuses situationsindustrielles (les contacteurs gaz/liquide, les évaporateurs ou des dispositifs d’impression à jet d’encre). Dans la plupart des applications, les bulles grossissent dans un écoulement cisaillé ou au repos et la plupart des études visent à prévoir le rayon de détachement par une analyse de l’équilibre des forces. Ainsi, une bonne modélisation des forces capillaires et hydrodynamiques est nécessaire pour prédire correctement le rayonau détachement. Dans un premier temps, la croissance quasi-statique d’une bulle d’air formée sur la paroi d’une cuve et d’un canal rectangulaire est étudiée. Trois substrats différents sont utilisés pour observer l’influence des conditions de mouillage. La dynamique de la croissance de la bulle et le détachement sont alors enregistrés différentes configurations : canal horizontal, canal incliné, avec et sans écoulement liquide. Ensuite,le comportement des bulles de vapeurs en croissance sur une paroi en ébullition en vase et convective est étudié. Les expériences sonteffectuées en gravité terrestre et en microgravité dans un liquide sous-refroidi (HFE 7000) à basse pression (1-2bars). Des bulles de vapeurssont nuclées sur la paroi par l’intermédiaire d’un générateur de bulles. Ce dernier chauffe le liquide environnant au-dessus de sa température de saturation. Les bulles croient sur le site de nucléation dans un écoulement cisaillé et se détachent soit directement soit en glissant le long de la paroi. Une copie de la cellule d’essai appelée RUBI développée par l’ESA est implémentée dans le dispositif expérimental pour effectuer lespremières expériences en microgravité avant son lancement dans la station spatiale ISS. Toutes les acquisitions sont filmées à l’aide d’une caméra rapide et l’extraction du contour de la bulle est réalisée par traitement d’images. Différentes forces agissant sur une bulle sont calculées à partir des paramètres géométriques de la bulle. Un modèle prédictif de détachement de bulles est proposé. Enfin, un bilan thermique diphasique est effectué. / The growth and departure of bubbles nucleated on a wall are of particular interest in industrial situations such as gas/liquid contactors in chemicalprocessing, vapor nucleation in evaporators or inkjet printing devices. In most of these industrial applications, the bubbles grow in a shear flow and most studies aim topredict the radius at detachment by a force balance analysis. Thus a good modeling of both the hydrodynamic and capillary forces is needed to predict correctly this radius. First, the quasi-static growth of an air bubble nucleated on the wall of a tank and a rectangular channel is investigated. Three different substrates are used to observe the wettability effect. The dynamics of the bubble growth and detachment is then recorded for different configurations : horizontal channel, inclined channel, with and without a shear flow. Then, behavior of vapor bubbles growing at a wall in pool boiling and flow boiling is investigated. Experiments are performed in normal and microgravity environments with a subcooled test liquid HFE-7000 at low pressure (1-2 bars). Vapor bubbles are nucleated on the wall by a bubble generator that heats the liquid above its saturation temperature. This bubble generator was designed to provide nucleation on an isolated site. These bubbles grow on this nucleation site under an imposed shear flow and depart downstream either along the wall or perpendicularly. A copy of the test cell called RUBI developed by ESA is included in our experiment to perform the first experiments in microgravity before its launch to the ISS. Geometric and kinematic features of the air bubbles and vapor bubblesare measured by processing images obtained by high-speed video recordings. Different forces acting on the bubbles are calculated from these measurements, using a point force approach. The validity of this mechanistic approach to the bubble dynamics is discussed. At last, heat transfer balance is estimated on the bubble.

Thesis. 1975. Ph.D.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Mechanical Engineering. / Vita. / Bibliography: leaves 76-78. / Ph.D.

Les écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase sont présents dans les applications terrestres et spatiales avec notamment le contrôle thermique des satellites par boucle diphasique, l’alimentation en propergol des moteurs de fusée et le traitement des eaux usées pour les missions d’exploration spatiale. Des expériences d’ébullition convective dans un tube chauffé avec du HFE7000 ont été menées en écoulement vertical ascendant au sol et en microgravité conditions afin de caractériser les régimes d’écoulements et de mesurer les transferts de chaleur, le taux de vide et les pertes de pression. Les mesures de taux de vide ont permis de caractériser la vitesse moyenne de la phase vapeur et l’épaisseur du film liquide en écoulement annulaire. En microgravité, l’épaisseur du film liquide et le frottement interfacial sont inférieurs aux conditions de gravité terrestre. La structure du film liquide a été caractérisée par des visualisation rapides. L’impact de la gravité, des vitesses superficielles du liquide et de la vapeur sur la célérité et la fréquence des ondes perturbatrices a été mis en évidence. Deux techniques de mesure ont été implémentées et comparées pour la mesure du coefficient d’échange de chaleur. En ébullition convective saturée pour des titres massiques supérieurs à 0.2, le transfert de chaleur est peu sensible à la gravité et en bon accord avec des corrélations de la littérature. En ébullition nucléée sous refroidie pour des titres inférieurs à 0.1, le transfert de chaleur est significativement plus faible en microgravité. / Two-phase flows with or without phase change are present in terrestrial and space applications like thermal control of satellites, propellant supply for launchers, and waste water treatment for space exploration missions. Flow boiling experiment with HFE7000 were conducted in a heated tube in vertical upward flow on ground and in microgravity conditions to collect data on flow patterns, pressure drops, heat transfers, void fraction. Void fraction measurements allowed to measure mean gas velocity and the liquid film thickness in annular flow. In microgravity condition, the liquid film thickness and the interfacial shear stress are significantly lower than in normal gravity. A detail analysis of the film structure was performed by image processing. The impact of gravity and liquid and vapour superficial velocities on the disturbance waves velocities and frequencies was investigated. Two different measurement techniques were used and compared to determine the heat transfer coefficient. For quality values greater than 0.2, HTC is not sensitive to gravity and is in good agreement with classical correlations of the literature. For qualities smaller than 0.1, in the subcooled nucleate boiling regime HTC is significantly smaller in microgravityconditions.

Les travaux présentés dans ce mémoire de HDR sont la synthèse de six années de recherche sur l'influence de la pesanteur lors des transferts de chaleur et de masse par ébullition et évaporation. Dans le premier chapitre de ce mémoire, je présente une synthèse de la littérature depuis 2003 sur mes activités de recherche. Je mets l'accent sur les techniques employées et les approches choisies pour comprendre les phénomènes physiques rencontrés que ce soit en évaporation ou en ébullition. A la fin de chaque section de ce chapitre, je fais le point sur notre positionnement par rapport à ces activités, je retrace le cheminement qui nous amenes à développer les méthodes inverses en conduction de la chaleur appliquées à l'ébullition convective, ou à développer l'imagerie infrarouge aux gouttes en évaporation. Dans le second chapitre de ce mémoire, je détaille les travaux effectués en présentant de manière synthétique les méthodes et outils ainsi que les résultats obtenus. Il ne s'agit pas dans ce chapitre de s'appesantir sur les détails techniques de construction des expériences qui ont déjà été publiés dans les articles en annexe. Dans le troisième chapitre de ce mémoire qui est divisé en deux sections distinctes, je présente dans un premier temps les projets acceptés qui vont démarrer dans les mois à venir. Dans un second temps, je présente des perspectives de recherche au travers de proposition de recherche qui déjà fait l'objet de demande de financement.

An experimental and numerical investigation was conducted to study boiling and condensation - the two most important phenomena occurring in a dual-chamber thermosyphon. Boiling experiments were carried out using water at sub-atmospheric pressures of 9.7, 15 and 21 kPa with a three-dimensional porous boiling enhancement structure integrated in the evaporator. Sub-atmospheric pressure boiling achieved heat fluxes in excess of 100 W/cm2 with negligible incipience superheat, for wall temperatures below 85 oC. Reduced pressures resulted in reduction of heat transfer coefficient with decrease in saturation pressure. The boiling enhancement structure showed considerable heat transfer enhancement compared to boiling from plain surface. Increased height of the structure decreased the heat transfer coefficient and suggested the existence of an optimum structure height for a particular saturation pressure. A parametric study showed that a reduction in liquid level of water increased the CHF for boiling with plain surfaces. For boiling with enhanced structures, the liquid level for optimum heat transfer increased with increasing height of the enhanced structure. A numerical model was developed to study condensation of water in horizontal rectangular microchannels of hydraulic diameters 150-375 µm. The model incorporated surface tension, axial pressure gradient, liquid film curvature, liquid film thermal resistance, gravity and interfacial shear stress, and implemented successive solution of mass, momentum and energy balance equations for both liquid and vapor phases. Rectangular microchannels achieved significantly higher heat transfer coefficient compared to a circular channel of similar hydraulic diameter. Increasing the inlet mass flow rate resulted in a higher heat transfer coefficient. Increasing the inlet temperature difference between wall and vapor led to a thicker film and a gradually decreasing heat transfer coefficient. Increasing the channel dimensions led to higher heat transfer coefficient, with a reduction in the vapor pressure drop along the axial direction of the channel. The unique contributions of the study are: extending the knowledge base and contributing unique results on the thermal performance of thermosyphons, and development of a analytical model of condensation in rectangular microchannels, which identified the system parameters that affects the flow and thermal performance during condensation.

Thesis (M.S.)--Oregon State University, 2010. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 69-73). Also available on the World Wide Web.

Thesis (Ph.D.)--Rochester Institute of Technology, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 270-275).

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase. / Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.

Il est démontré que dans de nombreux procédés de transformation de la matière, les dégradations entropiques (et les consommations énergétiques qui en découlent) peuvent être minimisées en répartissant les flux d’énergies dans le volume plutôt qu’aux bornes du système (exemple de la distillation diabatique). Cependant la réalisation et la gestion de profils thermiques contrôlés (tels que des gradients thermiques et des étagements de température maîtrisés) dans les appareils compactes ne sont pas très souvent réalisées parce que souvent complexes et coûteuses (batterie d’échangeurs, gestion des fluides). Cette difficulté technologique affecte non seulement les performances énergétiques et les efficacités de transformation des appareils classiques de grandes tailles, mais aussi les réacteurs microstructurés dont les faibles dimensions internes associées à la grande conductivité thermique du matériau constituant les parois du contacteur entraînent souvent l’homogénéité thermique de l’appareil au détriment de la gestion des gradients thermiques. Par ailleurs, les garnissages utilisés dans les séparateurs sont de formes très complexes dans lesquels il est difficile de faire à la fois de la structuration thermique et hydrodynamique. Les systèmes microstructurés basés sur des géométries à plaques semblent offrir une possibilité intéressante de structuration thermique (contrôle et modulation de flux énergétiques pour l’obtention d’un profil thermique spécifique) et hydrodynamique (contrôle des transferts de matière, des temps de séjour, des pertes de charges etc.). Dans cette thèse, les réflexions menées sur ces verrous technologiques ont conduit à la conception d’un microcontacteur à film tombant. Ce microprocédé a été caractérisé d’un point de vue thermique et hydrodynamique. Une étude de faisabilité sur le potentiel de ce microcontacteur à séparer un mélange binaire d’alcools (ethanol/n-propanol) a été menée, ses performances ont été expérimentalement évaluées d’un point de vue qualitatif (pureté du distillat et du soutirat) et quantitatif (rapports des débits entrant et sortant), mais aussi en intégrant la notion d’exergie compositionnelle, également appelée puissance de séparation / In many processes of mass transformation, entropic degradations (and energy consumptions which results from) can be minimized by distributing heat flows in all process volume rather than boundaries (example: diabatic distillation). However it is difficult to control and impose thermal gradients on small scales because of their complexity and high costs (exchangers, fluids). This technological difficulty affects not only the performances and energy efficiencies of conventional devices (macro scales) but also small devices (e.g. microstructured reactors). Indeed, compact equipments with small dimensions generate some difficulties. First, the driving force inducing liquid flow by gravity is very small. Second, small size and high thermal conductivity of the material induce thermal homogeneity instead of managing temperature gradients in the system. In many separators, the used packing material has complex forms that make difficult thermal and hydrodynamic structurations. Microstructured devices, based on microchannel plate technologies, offer an interesting possibility of thermal structuration (control and modulation of energy fluxes) and hydrodynamics control (e.g. mass transfer, residence times, pressure drop etc). In this thesis, many discussions on these technological barriers led to the design of a new microstructured falling film contactor. The aim of the present work is to study heat transfer phenomena and liquid hydrodynamics in this device and, investigates the separation feasibility of a binary mixture of ethanol and n-propanol. Microcontactor performances were experimentally evaluated in terms of quality (bottom and top concentrations) and quantity (bottom and top flow rate ratios). To fully characterize contactor performances, the separation power concept (also called compositional exergy) was integrated

<p>Methane is an important green house gas as it is responsible for 15-20 % of the green house effect. Marine environments in general and shallow near-coastal waters specifically may be important contributors of methane emissions but are as of today poorly studied.  In this study we measured total fluxes of methane from shallow near-coastal waters at two sites along the east coast of Sweden. The sea-to-air emissions of methane where captured using floating chambers. This gave measured fluxes as compared to earlier studies of the Baltic Sea where calculated fluxes are often used. Measured fluxes have the merit of not having to rely on several highly varying and complex variables e.g. mean wind speed and piston velocity that vary and give an uncertainty to the results.  The fluxes ranged from -2.14 to 0.37 mg CH4 m-2 d-1 with a mean of 0.05 mg CH4 m-2 d-1. The results show a correlation, however not strong, between depth and methane. No difference in flux between the study sites could be seen. We look forward to further studies using floating chambers on shallow near-coastal waters with longer sampling periods to catch seasonal variations.</p>