L'utilisation des micro-carnaux a l'avantage de contribuer à une augmentation significative de la compacité des échangeurs de chaleur et à une amélioration des performances énergétiques des systèmes. L'étude des régimes d'écoulements diphasiques et des transferts thermiques locaux représentent un véritable verrou scientifique vu son effet sur la durée de vie et les performances énergétiques des systèmes énergétiques tels que les piles à combustible et les refroidisseurs miniatures. Malheureusement, l'aspect hydrodynamique de l'écoulement et du transfert thermique (mesure des densités de flux thermique et des coefficients d'échange thermique locaux) dans un seul micro-canal demeure toujours mal connu. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à étudier les différents phénomènes se produisant lors de la condensation dans un seul micro-canal en repérant les différentes instabilités hydrodynamiques et en analysant les différents mécanismes physiques influençant les coefficients d'échange thermique. A cette fin, nous avons développé un banc d'essais pour tester la condensation en micro-canaux et dans lequel le micro-canal est instrumenté par des micro-thermocouples de 20 µm de diamètre. Cet aspect micro-instrumentation représente une véritable originalité de ce travail de thèse car il permet de mesurer les températures de surface locales tout au long du micro-canal. Une camera rapide est utilisée pour la visualisation des structures des écoulements se produisant en condensation dans le micro-canal. Une procédure de traitement d'images est développée pour caractériser les différents paramètres de l'écoulement diphasique dans le micro-canal, à savoir : taille des bulles, parcours des bulles, forme du ménisque, vitesse et fréquence des bulles, etc. L'influence de ces paramètres sur les structures des écoulements et sur l'intensification des transferts est étudiée. On montre que la présence des écoulements instationnaires et cycliques qui changent de structure durant chaque période. La variation de la température pour chaque période est reliée à la structure de l'écoulement en condensation dans le micro-canal. On a aussi identifié des écoulements développés de différentes structures. Nous avons aussi mis en évidence que la densité du flux thermique local dépend non seulement du flux massique et du taux de condensation mais également de la structure de l'écoulement en condensation. Enfin, nos résultats donnent une démonstration sur l'influence de la micro-structuration de surface sur la structure d'écoulement lors de la condensation dans un micro-canal, et fournissent de nouvelles méthodes pour l'amélioration de l'intensification thermique.

L'objectif de cette thèse était de cerner l'effet de la rugosité sur l'écoulement et les transferts de chaleur. Nous avons mené des calculs numériques tridimensionnels afin de caractériser les interactions entre l'écoulement du liquide en simple phase et les éléments rugueux. Ces calculs ont révélé que l'écoulement dans la région rugueuse peut être modélisé comme bidimensionnel. Par conséquent, les calculs 2D ont été employés afin de déterminer le coefficient de traînée et le coefficient d'échange de chaleur. Ces résultats ont été utilisés dans un modèle unidimensionnel baptisé RLM développé parallèlement et basé sur la méthode des éléments discrets. Le coefficient de frottement dans un microcanal rugueux issu du modèle a été comparé aux résultats expérimentaux obtenus pour des microcanaux avec des rugosités de forme et de distribution contrôlées. Cette comparaison a montré un bon accord entre les deux approches. Ceci signifie que l'influence de la rugosité dans des microcanaux n'est pas changée par rapport à l'influence observée dans les conduits de taille conventionnelle. L'analyse des résultats a montré que l'influence de la rugosité dépend des paramètres géométriques caractéristiques locaux (porosité et fractionnement) lorsque la hauteur relative (k/0.5H) des éléments est inférieure à 0.5. Nous avons aussi montré la possibilité d'employer le modèle RLM afin de déterminer la performance thermique des échangeurs munis de micro-ailettes.

Une zone de constriction dans un micro-canal fluidique peut générer, si le débit est suffisant, un écoulement bi-phasique. Ceci est l’origine de la cavitation hydrodynamique. Les échanges de chaleur latente générés par l’apparition et l’implosion des bulles impliquent une variabilité importante de la température dans les zones au-delà de la constriction. En ajoutant des sondes de température nanométriques dans le fluide et en utilisant un microscope confocal on peut déterminer la température en un point. Ainsi on a pu établir des cartographies thermiques en 2 et 3 dimensions à l’intérieur d’un écoulement stationnaire bi-phasique. La technique permet en outre d’avoir accès à la quantité de gaz ce qui permet de corréler les gradients de température avec les zones de transitions de phases. Des zones de très forts refroidissements sont observées après la constriction, là où les bulles apparaissent. Par contre on n’observe pas les zones d’échauffement attendu à cause de la condensation. Une méthode complémentaire, moins sensible, utilisant la spectroscopie Raman a aussi été utilisée pour confirmer ce résultat. Par ailleurs une nouvelle classe de matériaux luminescents sensible à la température et la pression a été étudiée. Enfin une étude de la production de radicaux lors de l’implosion des bulles a été menée en utilisant la chimiluminescence du luminol. La technique utilisée par comptage de photons a permis de quantifier cette production et une cartographie de l’émission du luminol a permis d’associer celle-ci avec la zone d’implosion des bulles / A constriction in the microchannel can be used to establish a two-phase flow, when a sufficient liquid flux is introduced. This is known as hydrodynamic cavitation. The latent heat resulting from the growing and collapsing vapor bubbles makes it interesting to observe the temperature conditions in the flow downstream of the constriction. Using fluorescence microscopy, with the addition of temperature sensitive nano probes into the working fluid, we can determine the temperature at a single point, averaged over the integration time. Coupled with a confocal microscope, we were able to produce two and three dimensional temperature maps of the steady state flow in the microchannel by the use of ratiometric intensity measurements. This technic allows us to observe temperature gradients in two-phase flow as well yielding the void fraction information. Areas of substantial cooling are observed downstream the constriction in the two-phase flow, linked to the bubble growth, while heating regions due to condensations are missing. A complementary, yet less sensitive probe-less technique using the inherent Raman scattering signal of the liquid, was used to confirm the findings. A separate study evaluating a new group of luminescent materials for optical temperature and pressure probes is performed and discussed herein. Finally, the luminol chemiluminescent reaction with radicals produced by the cavitating flow, is used to obtain a corresponding photon yield. By counting the photons produced, an estimate on the radical yield can be obtained. Additionally, rudimentary mapping of the chemiluminescence signal allows the localization of the bubble collapse regions

Cette étude concerne l’étude des écoulements diphasiques dans le cadre du refroidissement des composants électroniques en systèmes embarqués. L’étude bibliographique a permis de sélectionner le refroidissement par spray comme technique prometteuse pour dissiper des flux de chaleur au-delà de 100 W/cm2. Une étude hydraulique, utilisant de l’eau et du HFE7100 comme fluides de refroidissement, nous a permis de valider des modèles permettant de déterminer la taille et la vitesse de gouttes provenant d’une sélection de buses de spray. Pour la partie thermique, nous avons conçu une section d’essais (évaporateur) permettant de pulvériser en spray afin d’étudier le refroidissement avec une boucle fermée diphasique.Vu la complexité du système de spray influencé par plusieurs paramètres et phénomènes physiques, nous avons isolé le phénomène d’ébullition nucléée dans une configuration en ébullition nucléée avec un élément chauffant identique à celui employé avec le refroidissement par spray. Pour améliorer les échanges thermiques, 6 surfaces avec différentes structurations (macroscopiques, microscopiques et hybrides) ont été sélectionnées. Les résultats de tests avec ces surfaces ont été comparés avec une surface lisse tant pour le refroidissement par spray que pour le refroidissement en vase.D’une part, avec un refroidissement par spray, les surfaces macrostructurées nous ont permis de dissiper des puissances thermiques de l’ordre de 140 W/cm2 avec d’importants coefficients de transfert thermique. D’autre part, avec un système de refroidissement par immersion, une des surfaces hybrides a montré être la plus performante.Les résultats reportés dans cette thèse ont permis d’approfondir la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur en refroidissement par spray. De même, ils ouvrent la voie à l’étude des améliorations et optimisations du système permettant de l’employer en systèmes embarqués. / This dissertation concerns the study of two-phase flow cooling of electronic components in embedded systems. From a literature review, Spray Cooling was selected as a promising technique for dissipating heat fluxes above 100 W/cm2. A hydraulic study, using water and HFE7100 as coolants, has validate models for determining the size and speed of drops from a selection of spray nozzles. Regarding the thermal study, we have designed a test section (evaporator) to study cooling in a two-phase closed loop system.Given the complexity of Spray Cooling systems, which are influenced by several parameters and involve several physical phenomena, the nucleate boiling phenomenon has been isolated in a Pool Boling system with an identical heating element as Spray Cooling experiment. To improve heat exchange, 6 surfaces with different structures (macroscopic, microscopic and hybrid) were selected. The boiling test results with these surfaces have been compared with a smooth surface for both Spray Cooling and Pool Boiling.On one hand, in Spray Cooling tests, the macrostructured surfaces dissipated heat flux up to 140 W/cm2 with significant heat transfer coefficients. On the other hand, in the Pool Boling system, one of the hybrid surfaces has shown to be the most efficient.The results reported in this dissertation contributes on the understanding of the boiling mechanisms of heat transfer in Spray Cooling. Likewise, they open the way to the study of improvements and optimizations of the system for its use in embedded systems.

Cette thèse détaille la mesure des corrélations d'intensité quantiques dans des gaz d'hélium métastable. La mesure s'est opérée sur des gaz thermiques bosoniques 4He et fermioniques 3He, ainsi que sur des condensats de Bose-Einstein.<br /><br />En 1956, Robert Hanbury Brown et Richard Twiss ont mesuré la corrélation entre des photons provenant d'une même source thermique. Ils avaient ainsi mis en évidence que les photons emis par une telle source arrivaient préférentiellement groupés sur le détecteur. Ce groupement charactérise les bosons provenant d'une source non-cohérente. Les fermions manifestent un anti-groupement dans les mêmes conditions.<br /><br />En utilisant des atomes d'hélium métastables, dont l'utilisation de galettes de micro-canuax facilite la détection individuelle, nous avons pu mettre en évidence un regroupement similaire des bosons 4He provenant de sources thermiques de l'ordre du microkelvin. La cohérence des condensats de Bose-Einstein n'a pas permis de dégager une corrélation particulière, comme attendue. Une mesure sur des gaz thermiques des fermions 3He a permis de mettre en évidence leur anti-groupement. Un soin particulier a été pris pour décrire le détecteur à base de galettes de microcanaux et de lignes à retard, une des clés de la réussite de la mesure.

Les réacteurs-échangeurs à plaques (HEX) sont une technologie clé en intensification des procédés. Cependant, la plupart des recherches existantes portant sur ce type d'équipement ont été réalisées dans le cas d’écoulements monophasiques. Pour les réactions gaz-liquide, peu d'études ont été conduites. Cette thèse a pour objectif d’étudier localement le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor en écoulement dans des canaux millimétriques droits et ondulés par une méthode dite colorimétrique. Ceci constitue une étape préliminaire indispensable avant la mise en œuvre de systèmes réactifs diphasiques. Il a d’abord déterminé si une possible accélération du transfert de matière gaz-liquide pouvait avoir lieu en présence de la réaction chimique utilisée. La deuxième phase de ce travail s’est focalisée sur l'étape de formation des bulles de Taylor dans un microréacteur. Ensuite, l'hydrodynamique gaz-liquide a été caractérisée et les effets des coudes sur le mécanisme de transfert de masse ont été étudiés localement dans un canal carré millimétrique ondulé. Enfin, une comparaison rigoureuse a pu être effectuée entre les différentes géométries de canaux (ondulé et droit). Elle a permis de montrer comment et pourquoi une géométrie ondulé permet d’intensifier le transfert de masse gaz-liquide (notamment en terme d’efficacité de transfert). L’ensemble de ces résultats ont conduit à la formulation une loi d'échelle, exprimée en termes de nombres de Sherwood, de Graetz et de Péclet, capable de décrire l'évolution du transfert de matière gaz-liquide en fonction de la position axiale dans le canal et des conditions opératoires mises en œuvre. / Compact Heat-EXchanger reactors (HEX) are an important part of process intensification technology. However, most of the existed research dealing with such type of equipment has been focused on the application of one-phase reactive flows. For gas-liquid reactions, few investigations have been out carried. This thesis aims at locally studying gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method; this is a preliminary step essential before implementing two-phase reactive systems. Firstly, the occurrence of a possible enhancement of the gas-liquid mass transfer by the chemical reaction involved was investigated. Secondly, the gas-liquid mass transfer occurring in Taylor flows right after the bubble formation stage in a microreactor was studied. Thirdly, the gas-liquid hydrodynamics were characterized and the effects of bends on the mass transfer mechanism were locally investigated in a millimetric meandering channel. At last, a rigorous comparison could be made between the meandering and straight channels. It showed how and why the meandering geometry leads to intensify gas-liquid mass transfer. All these findings enabled to formulate a scaling law, expressed in terms of Sherwood, Graetz and Péclet numbers, able to describe the evolution of gas-liquid mass transfer as a function of axial position and operating conditions.

L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

Cette thèse présente des résultats obtenus par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés ''en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature ''non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic originale, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.

Cette thèse présente deux expériences sur des gaz ultrafroids d'hélium métastable qui constituent l'extension, à des ondes de matière, d'expériences fondamentales en optique quantique. Le succès de ces expériences repose sur l'utilisation d'un détecteur d'atomes uniques capable de reconstruire la position des atomes en trois dimensions. Dans la première expérience nous avons comparé, sur le même dispositif expérimental, la fonction de corrélation à deux corps des atomes appartenant à un nuage froid de fermions identiques à celle d'un nuage froid de bosons identiques à la même température. Comme bosons et fermions suivent deux statistiques quantiques différentes, les deux fonctions de corrélation sont différentes : les bosons ont tendance à arriver groupés sur le détecteur, alors que les fermions ont tendance à arriver dégroupés, à cause du principe d'exclusion de Pauli. Dans la deuxième expérience nous avons étudié la corrélation entre paires d'atomes bosoniques générées dans la collision de deux condensats de Bose-Einstein. La mesure de la fonction de corrélation nous a permis de démontrer que les atomes d'impulsion opposée, dans le référentiel du centre de masse, sont corrélés par paires. De plus l'observation d'une corrélation de type Hanbury Brown Twiss entre paires d'atomes diffusés dans la même direction démontre que notre système ne peut pas être interprété en termes de mécanique classique, mais que la statistique bosonique y joue un rôle important. Une nouvelle génération de cette expérience permettra de mesurer la dépendance angulaire de la population des modes atomiques diffuses et d'étudier le squeezing de la différence de population entre modes opposés.

Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.