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.

Les travaux de cette thèse portent sur le refroidissement descomposants électroniques de puissance par métal liquide. Les efforts se sontconcentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : la pompeélectromagnétique servant à mettre le fluide en mouvement et le refroidisseur àminicanaux situé sous la source de dissipation.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents. Dans lepremier, l'apport des métaux liquides pour le refroidissement des composantsactifs de puissance est démontré. Dans un deuxième temps, l'étude théorique etexpérimentale d'une pompe électromagnétique à conduction est effectuée. Lesystème de refroidissement est plus particulièrement abordé dans le troisièmechapitre. Enfin, des réflexions sur la mise en oeuvre des refroidisseurs à métauxliquides en électronique de puissance sont discutées dans la dernière partie.Grâce à elles, nous voyons que le champ d'application de ces travaux favorisel'émergence de solutions innovantes pour la gestion thermique des composantsélectronique de puissance.

Les préoccupations relatives à la consommation de l’énergie et notamment des pertes provoquent une demande d’optimisation toujours plus forte des procédés. La recherche de l’efficacité maximale dans les échangeurs de chaleur est d’autant plus forte lorsque ceux-ci ne fonctionnent pas au régime nominal. L’étude présentée dans ce mémoire se concentre sur une problématique de l’efficacité des échangeurs thermiques : la distribution diphasique. Le but de ce travail a été de montrer la faisabilité d’un dispositif améliorant la répartition des deux phases dans un échangeur à mini canaux. La méthode choisie a été l’introduction d’ultrasons par le biais de générateurs placés dans le distributeur produisant une fontaine. Cette technologie présente l’avantage d’être facilement modulable en ne changeant que la tension d’entrée des appareils. Ceci permet donc de pouvoir adapter le dispositif aux différentes conditions opératoires. Des essais expérimentaux ont été réalisés dans différentes conditions, en changeant notamment le débit de chaque phase. La densité de flux massique a été variée de 60 kg.m-2.s-1 à 450 kg.m-2.s-1 et le titre massique de moins de 1% à plus de 23% en entrée de section d’essais. Les comparaisons entre les différents essais se sont faite par la mesure des débits de chaque phase sortant des canaux. L’introduction des ultrasons a également été étudiée en jouant sur le placement et le nombre des générateurs d’ultrasons. Cette technologie s’est alors montré viable car la distribution diphasique est améliorée dans une grande majorité des cas testés. Des phénomènes intéressant ont même été observés, permettant lors d’une prochaine étude, des approches différentes mais complémentaires. / Concerns about energy consumption including thermal losses cause a need in greater optimization of the processes. The goal of the maximum efficiency in heat exchangers is even stronger when they do not work at nominal conditions. The study presented in this paper focuses on the two-phase flow distribution problematic. The aim of this work was to demonstrate the feasibility of a device that can improve the distribution of the two phases in a mini-channel heat exchanger. The method chosen was the introduction of ultrasound through generators placed in the distributor where they can produce an ultrasonic fountain. This technology has the advantage of being easily adjustable by changing the input voltage of the devices. This therefore allows the device to adapt to different operating conditions. Experimental tests have been done under different conditions, in particular by changing the flow rate of each phase. The mass flow density was varied from 60 kg.m-2.s-1 to 450 kg.m-2.s-1 and the mass quality of less than 1% to over 23% at the tests section inlet. Comparisons between different tests were made by measuring flow rates of each phase at the outlet of the channels. The introduction of ultrasound was also studied by varying the placement and number of the generators of ultrasound. This technology has been shown as viable two-phase distribution enhancement in a majority of cases tested. Interesting phenomena were even observed, which allows, for a future study, different but complementary approaches.

L'étude ici développée traite de deux aspects de la microfluidique : l'hydrodynamique d'écoulements liquides en microtubes et l'ébullition convective en minicanaux. Le dispositif et la méthode de traitement développés dans la première partie du mémoire permettent d'obtenir le nombre de Poiseuille d'écoulements laminaires liquides avec une précision inférieure à 4%. L'étude met en évidence une croissance du nombre de Poiseuille pour les écoulements d'eau distillée, d'eau de ville et des solutions de KCl au sein de microtubes en silice de diamètres allant de 540 à 52 µm. L'origine des écarts à la théorie classique en macroconduites a été recherchée. Une des hypothèses vraisemblable est l'effet de la Double Couche Electrique due aux ions contenus dans le fluide et à la surface interne du microtube chargée électrostatiquement. Dans la seconde partie du manuscrit, nous mettons en évidence l'influence du confinement pariétal sur un écoulement avec changement de phase liquide-vapeur au sein d'un minicanal vertical. Deux régimes d'ébullition sont observés : stationnaire avec des structures d'écoulements classiques et instationnaires dues à une production importante de vapeur. Dans ce dernier cas, nous distinguons les fluctuations de couplage et les fluctuations intrinsèques à l'écoulement confiné. Un critère de déclenchement des instationarités permet d'accéder à une grandeur adimensionnelle. Une loi d'échelle est alors proposée pour les écoulements diphasiques dans les minicanaux. Il en est de même pour les transferts thermiques.

Les travaux de cette thèse portent sur le refroidissement descomposants électroniques de puissance par métal liquide. Les efforts se sontconcentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : la pompeélectromagnétique servant à mettre le fluide en mouvement et le refroidisseur àminicanaux situé sous la source de dissipation.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents. Dans lepremier, l’apport des métaux liquides pour le refroidissement des composantsactifs de puissance est démontré. Dans un deuxième temps, l’étude théorique etexpérimentale d’une pompe électromagnétique à conduction est effectuée. Lesystème de refroidissement est plus particulièrement abordé dans le troisièmechapitre. Enfin, des réflexions sur la mise en oeuvre des refroidisseurs à métauxliquides en électronique de puissance sont discutées dans la dernière partie.Grâce à elles, nous voyons que le champ d’application de ces travaux favorisel'émergence de solutions innovantes pour la gestion thermique des composantsélectronique de puissance. / The work presented in this Phd manuscript deals with cooling powerelectronics devices using an electrical conductive fluid. Two important functionshave been considered: the study and the realization of the electromagnetic pumpwhich circulated the fluid in the cooling loop. The second function was study andrealization of the cooler which evacuated the heat from the electronics device.This document has four chapters: introduction to power electronics coolingsystem with liquid metal, electromagnetic pump study, cooler study, and at lastreflections on realizing liquid metal cooler for power electronics devices. Theresults of this work concern a wide range of applications, especially towards newthermal management solutions of power electronics devices.

The development of techniques targeting the manipulation of particles of different<p>sizes - mostly in the nano to millimeter scale - when dispersed in a carrier medium, is an increasingly important topic in many fields such as biotechnology,nanotechnology, medicine, biophysics and environmental monitoring and remediation. The underlying rationale for using such techniques stands in the sometimes compelling requirements of avoiding clogging as in micro/nano channel flows, of limiting sedimentation and wall interactions in particle/cell counting, of enhancing particle-surface interaction as in bio-sensing or of facilitating characterization and sorting as in bio-physical applications. Being developed in the frame of a Belgian national project devoted to the characterization and counting of pollutant in water media by digital holographic microscopy, this thesis tackles a peculiar class of particle manipulation techniques, commonly known as Focusing. The main goal of focusing is to avoid at best wall particle interactions and sedimentation, prevalent issues for dispersions owing in micro/mini-channels especially for applications such as optical characterization and counting.<p><p>The main attention was given to two flow focusing techniques - Hydrodynamic and Acoustic Focusing - for their wide range applicability and cost effectiveness. Hydrodynamic Focusing consists in controlling the position and spreading of the sample under investigation by means of a so-called sheath flow. A low-cost, nevertheless effective, prototype has been conceived, designed, manufactured and tested. It allowed for controlling the spreading of the sample stream and achieving a focusing ratio accounting for only 4% of the original stream width.<p><p>Acoustic Focusing takes advantage of the time-averaged pressure fields induced by the creation of standing waves in channels to manipulate and focus the dispersed particles. In the frame of this thesis, several devices have been developed using square cross section glass mini-channels. Aside from the cost-effectiveness, particles where focused in a somehow unexpected but high reproducible 3D matrix-like structure. A novel numerical model has also been implemented in order to study the conditions leading to the 3D structure formation. A good agreement between experimental and numerical results was found./Ce projet de thèse portant sur la manipulation de micro-particules dans des minicanaux s'inscrit dans le développement de cellules de flux pour des applications biologiques, qui est l'une des problématiques du projet HOLOFLOW, soutenu par<p>la région de Bruxelles Capitale. Les cellules de flux doivent permettre l'observation et la reconnaissance des micro-organismes vivants dans une large gamme de dimensions (de quelques microns à 1mm) avec la microscopie holographie digitale.<p>La problématique d'observation et de manipulation des microorganismes en flux est liée au clogging (bouchage) et à la sédimentation qui limitent la durée de vie des cellules d'observation. Ce projet de thèse s'inscrit dans cette problématique et propose deux axes d'étude pour limiter l'interaction entre organismes et canaux, la focalisation hydrodynamique, basée sur le guidage de flux, et la focalisation acoustique, basée sur la manipulation des particules.<p><p>La focalisation hydrodynamique est une technique basée sur l'injection différentiée de l'échantillon à observer et d'un fluide support. La différence des vitesses d'injection des flux permet de contrôler la dispersion des particules afin d'optimiser leur observation. Dans le cadre de cette thèse, un prototype à bas-coût a été développé et construit, permettant de focaliser les particules dans un faisceau jusqu'à 4% de leur faisceau incident.<p><p>La focalisation acoustique utilise la création d'une onde acoustique stationnaire afin de regrouper les particules en suspension au centre du canal. Au cours de cette thèse, plusieurs prototypes ont été réalisés, mettant en évidence la formation de motifs tridimensionnaux. Un model numérique a été spécialement développé afin d'étudier les conditions de génération de ces motifs, et de nombreuses expériences ont été menées afin de s'assurer de leur reproductibilité. Une bonne adéquation entre la position des particules mesurée et calculée numériquement a été démontrée. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished